(57)【要約】【課題】  簡易な製造プロセスでより良好な接合状態を実現することができる構造であるとともに、一層の小型薄型化が可能な化学反応装置、及び、該化学反応装置を用いたポータブル型の電源システムを提供する。【解決手段】  化学反応装置（マイクロリアクタ）は、概略、一面側に所定の幅及び深さを有する反応流路１１が形成されたガラス（ＳｉＯ２）等の主基板１０と、該主基板１０の一面側に対向するように設けられ、他面側に所定の平面形状を有する薄膜ヒータ３０が形成されたガラス（ＳｉＯ２）等の副基板２０と、主基板１０及び副基板２０間に介在するように設けられた、アモルファス質を有するタンタルシリコン（Ｔａ１−ｘＳｉｘ）の一部を酸化してなる接合膜２１と、を相互に積層するように接合した構成を有している。【選択図】  図１
2006082020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の反応流路内で化学反応を生じる化学反応装置において、
少なくとも、
一面側に溝状の前記反応流路が形成された第１の基板と、
前記第１の基板に対向して設けられ、前記反応流路の開放端を閉止する第２の基板と、
前記第１の基板及び前記第２の基板との間に介在し、前記第１の基板及び前記第２の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合しているアモルファス質の接合膜と、
を有することを特徴とする化学反応装置。
【請求項２】
前記接合膜は、前記第１の基板及び前記第２の基板のいずれか一方側の前記基板に対してスパッタ法により薄膜形成されるとともに、他方側の前記基板に対して陽極接合により接合されていることを特徴とする請求項１記載の化学反応装置。
【請求項３】
前記接合膜は、タンタルとシリコンとが固溶していることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の化学反応装置。
【請求項４】
前記接合膜は、タンタル０．７に対し、シリコン０．３の組成比率に設定されていることを特徴とする請求項３記載の化学反応装置。
【請求項５】
前記化学反応装置は、前記反応流路の内壁面に所定の触媒物質が付着形成された構成を有し、
前記化学反応は、該触媒物質による触媒反応により、第１の流体物質を第２の流体物質に変換することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の化学反応装置。
【請求項６】
所定の反応流路内で第１の流体物質を第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置を備え、該化学反応装置により生成された前記第２の流体物質を用いて電気エネルギーを生成する電源システムであって、
前記化学反応装置は、少なくとも、
一面側に溝状の前記反応流路が形成されたガラス基板からなる第１の基板と、
前記第１の基板に対向して設けられ、前記反応流路の開放端を閉止するガラス基板からなる第２の基板と、
前記第１の基板及び前記第２の基板との間に介在し、前記第１の基板及び前記第２の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合しているアモルファス質の接合膜と、
からなる反応部を備えていることを特徴とする電源システム。
【請求項７】
前記接合膜は、前記第１の基板及び前記第２の基板のいずれか一方にスパッタ法により薄膜形成される接合用金属膜を、陽極接合により前記第１の基板及び前記第２の基板の他方の酸素原子と結合して、前記第１の基板及び前記第２の基板が接合されていることを特徴とする請求項６記載の電源システム。
【請求項８】
前記接合膜は、タンタルとシリコンの化合物からなることを特徴とする請求項６又は７記載の電源システム。
【請求項９】
前記接合膜は、タンタル０．７に対し、シリコン０．３の組成比率に設定されていることを特徴とする請求項８記載の電源システム。
【請求項１０】
前記化学反応装置は、前記反応流路の内壁面に所定の触媒物質が付着形成された構成を有するとともに、前記反応流路に対応する領域に温度調整層が形成された構成を有していることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の電源システム。
【請求項１１】
前記化学反応装置は、前記反応部が複数積層形成された構成を有し、各反応部において、各々異なる前記化学反応を生じることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応装置及び電源システムに関し、特に、微小基板に形成された反応流路における反応により、所望の流体物質の生成が可能な化学反応装置、及び、該化学反応装置を適用した電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、化学反応工学の分野においては、流体化された混合物質を反応流路（チャネル）内に設けられた触媒による化学反応（触媒反応）により、所望の流体物質を生成する化学反応装置（「流路反応器」、又は、「チャネルリアクタ」ともいう）が知られている。
近年、このような化学反応装置の技術分野に、集積回路等の半導体デバイス製造技術で蓄積された微細加工技術等を導入した、いわゆる、マイクロマシン製造技術を適用して、例えば、単一のシリコンチップ上の微小空間にミリメートルオーダー又はミクロンオーダーの混合器や反応流路、分析器等の各種機能要素を集積化したマイクロリアクタ（又は、「マイクロチャネルリアクタ」ともいう）の研究開発が活発に行われている。
【０００３】
ここで、従来技術におけるマイクロリアクタの概略構成について、図面を参照して簡単に説明する。
図１７は、従来技術におけるマイクロリアクタの基本構造を示す概略構成図である。
マイクロリアクタは、概略、図１７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の微小な主基板１０ｐの一面側にフォトエッチング技術等を用いて、ミクロンオーダーの幅及び深さの溝状の断面構造を有し、かつ、所定の平面パターン（流路形状）を有する反応流路（マイクロチャネル）１１ｐを形成し、該主基板１０ｐの一面側に、上記反応流路１１ｐの開放部（上記溝部の開口端）を閉止するようにガラス（ＳｉＯ２）等の閉止基板２０ｐを接合した構成を有している。
【０００４】
なお、このようなマイクロリアクタにおいて、反応流路で促進される化学反応（触媒反応）が、所定の熱条件による吸熱触媒反応を伴う場合には、図１７（ｂ）に示すように、上記反応流路１１ｐの内壁面に所定の触媒を付着した触媒層１２ｐが形成されるとともに、該化学反応時に反応流路１１ｐ（詳しくは、触媒層１２ｐ）に所定の熱エネルギーを供給するための発熱抵抗体等からなる薄膜ヒータ３０ｐが形成された構成が適用される。ここで、薄膜ヒータ３０ｐは、例えば、図１７（ｂ）、（ｃ）に示すように、閉止基板２０ｐの他面側（主基板１０ｐとの接合側とは反対側の面）に、上記反応流路１１ｐの平面パターン（流路形状）に対応する形状を有するように形成される。
【０００５】
また、図１７（ａ）、（ｃ）においては、反応流路１０ｐ及び薄膜ヒータ３０ｐの形状を明確にするために、便宜的にハッチングを施して示した。また、図１７においては、化学反応装置の側部（主基板１０ｐの側方端面）に反応流路１１ｐへの流体物質の導入部１３ｐ及び排出部１４ｐを設けた構成を示したが、主基板１０ｐ又は閉止基板２０ｐに対して垂直方向（すなわち、図１７（ａ）、（ｃ）において、紙面に垂直方向）に上記導入部１３ｐ及び排出部１４ｐが設けられた構成を有するものであってもよい。
【０００６】
ここで、図１７に示したようなマイクロリアクタの構成については、例えば、特許文献１等に、一方のガラス基板の一面側（接合面側）に所定の形状を有する流路となる溝部を形成し、該溝部の開放部を閉止するように、他方側の上部ガラス基板を重ねて接着もしくは加熱融着した構成が記載されている。
【０００７】
また、主基板１０ｐと閉止基板２０ｐとの接合性や密着性が良好でない場合、反応流路１１ｐを流れる流体物質の漏洩による反応特性の劣化や動作不良、周辺機器への汚染等を生じたり、薄膜ヒータ３０ｐからの熱エネルギーによる基板の熱膨張等により、接合面の剥離や基板の破損等を生じたりするため、極めて良好な接合状態が得られる手法を適用することが必要となる。このような要望に対応可能な接合方法としては、陽極接合が有効と考えられている。
【０００８】
図１８は、従来技術におけるマイクロリアクタの製造プロセスに適用される陽極接合法を示す概念図である。ここで、上述したマイクロリアクタと同等の構成については、同一の符号を付して示し、反応流路及び薄膜ヒータについては図示を省略した。
陽極接合による基板相互の接合構造は、図１８（ａ）に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）の主基板１０ｐの一面側に、単体として陽極接合時に酸化される酸化用金属膜と、単体として陽極接合時に酸化されない非酸化用金属膜とを積層した接合金属膜１５ｐを、周知の蒸着法やスパッタ法により形成し、その後、所定の温度条件で熱処理を施して双方の金属単体が共融混合した後、図１８（ｂ）に示すように、接合金属膜１５ｐ上にガラス（ＳｉＯ２）等の閉止基板２０ｐを重ね、数百℃程度の温度条件下で、接合金属膜１５ｐと閉止基板２０ｐ間に数百Ｖ程度の直流電圧を印加することにより、接合金属膜１５ｐ表面に分布する酸化性金属が閉止基板（ガラス基板）２０ｐの酸素分子と結合して、接合強度の高い接合が実現されるというものである。
【０００９】
ここで、陽極接合の原理によれば、閉止基板であるガラス（ＳｉＯ２）基板との間で良好な接合状態が得られる、接合金属膜に適用される金属としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等が知られているが、これらの金属と同等の挙動を示すシリコン（Ｓｉ）を適用した場合であっても、ガラス基板との間で良好な接合状態が得られることが知られている。すなわち、図１８（ｃ）に示すように、シリコンからなる主基板（シリコン基板）１０ｐとガラスからなる閉止基板（ガラス基板）２０ｐとは、直接陽極接合することにより良好な接合状態が得られる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−５３５４５号公報  （第５頁〜第６頁、図１〜図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、従来技術におけるマイクロリアクタにおいては、主基板と閉止基板との良好な接合状態（接合強度の高い接合）を実現するために、主基板と閉止基板間に接合金属膜を介在させて陽極接合した構成や、例えば、シリコンからなる主基板とガラスからなる閉止基板を直接陽極接合した構成が適用されている。
【００１２】
しかしながら、上述したような接合構造のうち、シリコン基板からなる主基板とガラス基板からなる閉止基板とを直接陽極接合する構成においては、接合金属膜を形成する必要がないため、製造プロセスの簡素化を図ることができる利点を有するものの、主基板となるシリコン基板が非常に高価であるため、マイクロリアクタの製造コストが高騰するという問題を有していた。これは、主基板と閉止基板間に金属単体からなる接合金属膜を介在させた構成においても同様であり、主基板としてシリコン基板を適用した場合には、製造コストの高騰を招くという問題を有していた。
【００１３】
そのため、主基板と閉止基板間に接合金属膜を介在させた構成において、例えば、ガラス基板を適用することが製造コストの面から有効であると考えられるが、このような構成においては、次に示すような問題を有していた。
例えば、単体として陽極接合時に酸化される酸化用金属膜と、単体として陽極接合時に酸化されない非酸化用金属膜とによって接合金属膜を構成した場合、とこの積層形成した接合金属膜を、所定の温度条件下で共融させて、酸化用金属膜を非酸化用金属中に拡散させて共融混合物となる接合金属膜表面に分布させることにより、陽極接合時に閉止基板（ガラス基板）とに接合するようにしているが、共融混合物の場合、原子レベルで均等に分散されないため、酸化用金属膜を組成する金属単体のドメイン群や、非酸化金属組成する金属単体のドメイン群が形成されてしまう。この場合、接合金属膜の表面に非酸化金属組成する金属単体のドメイン群が存在してしまうので、ガラス基板中の酸素原子によって酸化反応が起こらず、接合できない箇所が発生してしまい、基板の剥離や損傷を生じる恐れがあるという問題を有していた。
【００１４】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、簡易な製造プロセスでより良好な接合状態を実現することができる構造であるとともに、一層の小型薄型化が可能な化学反応装置、及び、該化学反応装置を用いたポータブル型の電源システム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】
【００１５】
請求項１記載の発明は、所定の反応流路内で化学反応を生じる化学反応装置において、
少なくとも、
一面側に溝状の前記反応流路が形成された第１の基板と、
前記第１の基板に対向して設けられ、前記反応流路の開放端を閉止する第２の基板と、
前記第１の基板及び前記第２の基板との間に介在し、前記第１の基板及び前記第２の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合しているアモルファス質の接合膜と、を有することを特徴とする。
【００１６】
前記接合膜は、前記第１の絶縁性基板及び前記第２の絶縁性基板のいずれか一方側の前記基板に対してスパッタ法により薄膜形成されるとともに、他方側の前記基板に対して陽極接合により接合されていてもよい。
前記接合膜は、タンタルとシリコンとが固溶していることが好ましい。このような材料であると、陽極接合のような高温での酸化が進行しすぎないように抑えることができるので酸化しすぎによってもろくならない。
【００１７】
前記接合膜は、タンタル０．７に対し、シリコン０．３の組成比率に設定されていることが特に好ましい。
前記化学反応装置は、前記反応流路の内壁面に所定の触媒物質が付着形成された構成を有し、前記化学反応は、該触媒物質による触媒反応により、第１の流体物質を第２の流体物質に変換するものでもよい。
【００１８】
前記化学反応装置は、所定の反応流路内で第１の流体物質を第２の流体物質に変換する化学反応を生じる反応装置であり、前記反応流路に対応する領域に温度調整層が形成された構成を有し、該温度調整層から供給される熱エネルギーにより、前記反応流路における前記化学反応が促進されてもよい。
【００１９】
この場合、前記第１の流体物質は、炭化水素系の気体と水蒸気とを含む混合ガスであり、前記第２の流体物質は、水素ガスであって、前記化学反応装置は、前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、前記第１の流体物質から前記第２の流体物質を生成するようにしてもよい。
【００２０】
請求項６記載の発明は、所定の反応流路内で第１の流体物質を第２の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置を備え、該化学反応装置により生成された前記第２の流体物質を用いて電気エネルギーを生成する電源システムであって、前記化学反応装置は、少なくとも、一面側に溝状の前記反応流路が形成されたガラス基板からなる第１の絶縁性基板と、前記第１の基板及び前記第２の基板との間に介在し、前記第１の基板及び前記第２の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合しているアモルファス質の接合膜と、からなる反応部を備えていることを特徴とする。
【００２１】
前記電源システムにおいて、前記接合膜は、前記第１の基板及び前記第２の基板のいずれか一方にスパッタ法により薄膜形成される接合用金属膜を、陽極接合により前記第１の基板及び前記第２の基板の他方の酸素原子と結合して、前記第１の基板及び前記第２の基板が接合されてもよい。
【００２２】
前記電源システムにおいて、前記接合膜は、タンタルとシリコンの化合物からなることが好ましい。
前記システムにおいて、前記接合膜は、タンタル０．７に対し、シリコン０．３の組成比率に設定されていることが特に好ましい。
【００２３】
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応流路の内壁面に所定の触媒物質が付着形成された構成を有するとともに、前記反応流路に対応する領域に温度調整層が形成された構成を有していてもよい。
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応部が複数積層形成された構成を有し、各反応部において、各々異なる前記化学反応を生じてもよい。
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記複数の反応部において、各々異なる前記化学反応を生じることにより、炭化水素系の液体燃料と水から水素ガスを生成してもよい。
【００２４】
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置を構成する複数の前記反応部のうち、いずれか一つの前記反応部は、前記反応流路内で気化反応を生じることにより、炭化水素系の液体燃料と水から前記炭化水素系の気体と水蒸気を生成してもよい。
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置を構成する複数の前記反応部のうち、いずれか一つの前記反応部は、前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、炭化水素系の気体と水蒸気から水素ガスを生成してもよい。
【００２５】
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置を構成する複数の前記反応部のうち、いずれか一つの前記反応部は、前記反応流路内で水性シフト反応及び選択酸化反応を生じることにより、一酸化炭素ガスと酸素を含む混合ガスから水素ガス及び二酸化炭素を生成してもよい。
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置を構成する複数の前記反応部のうち、いずれか一つの前記反応部は、前記反応流路内で水素ガスの燃焼反応を生じることにより、他の前記反応部における前記化学反応を促進するための熱エネルギーを生成してもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、接合膜のアモルファス質のために結晶性が比較的低いため、膜内部での結晶粒界の生成が抑制され、厚さ方向に酸化が進行しすぎないので、第１の基板及び第２の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合する際にもろくならず、良好に結合して第１の基板及び第２の基板の良好な接合状態が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る化学反応装置及び該化学反応装置を適用した電源システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
＜化学反応装置＞
まず、本発明に係る化学反応装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る化学反応装置及びその製造プロセスの一実施形態を示す概略図であり、図２は、本実施形態に係る化学反応装置に適用される反応流路の平面パターン（流路形状）の一例を示す概略図である。なお、図２においては、反応流路の形状を明確にするために、便宜的にハッチングを施して示した。
【００２８】
本発明に係る化学反応装置（マイクロリアクタ）は、概略、図１（ａ）に示すように、一面側に所定の幅及び深さの溝状の断面構造を有し、かつ、所定の平面パターン（流路形状）を有する反応流路１１が形成されたガラス（ＳｉＯ２）等の主基板（第１の基板）１０と、該主基板１０の一面側に対向するように設けられ、他面側に所定の平面形状を有する薄膜ヒータ（温度調整層）３０が形成されたガラス（ＳｉＯ２）等の副基板（第２の基板）２０と、主基板１０及び副基板２０間に介在するように設けられた接合膜２１と、を相互に積層するように接合した構成を有している。
【００２９】
ここで、主基板１０に形成された反応流路１１の平面パターン（流路形状）は、例えば、図２（ａ）に示すように、上述した従来技術に示した構成と同様に、基板平面に対して、蛇行した形状を有しているものであってもよいし、図２（ｂ）に示すように、流路の途中に比較的広い反応室１５を有するものであってもよい。要するに、当該化学反応装置において実行される化学反応の種類や特性等に応じた適切な形状を有するものであればよい。
【００３０】
なお、図２においては、上記反応流路１１への流体物質の導入部１３及び排出部１４を、主基板１０の側方端面に設けた構成を示したが、これに限定されるものではなく、基板面に対して垂直方向（すなわち、図２において、紙面に垂直方向）に上記導入部１３及び排出部１４が設けられた構成を有するものであってもよい。
【００３１】
また、反応流路１１の内壁面には、例えば、該反応流路１１内での化学反応（触媒反応）を促進するための触媒層１２が形成され、また、副基板２０の他面側（主基板との対向面とは反対側の面）に設けられた薄膜ヒータ３０は、例えば、図１７（ｃ）に示した構成と同様に、上記反応流路１１の平面パターン（流路形状）に対応する形状を有して形成されている。なお、薄膜ヒータ３０は、副基板２０の他面側に形成された構成に限定されるものではなく、例えば、主基板１０の他面側に形成するものであってもよく、さらに、反応流路１１の平面パターン（流路形状）に略一致するような形状（例えば、図２（ａ）に対応した蛇行形状）に限らず、反応流路１１全体に対応する領域に、例えば、単体の矩形状を有するものであってもよい。
【００３２】
また、図１（ａ）に示した構成において、少なくとも、副基板２０を構成するガラス基板は、例えば、０．２ｍｍ以下の板厚を有し、主基板１０と副基板２０間に介在する接合膜２１は、例えば、数百ｎｍ（数千Å）程度の膜厚を有する非晶質合金膜２１ａの少なくとも一部が副基板２０中の酸素原子と結合している膜により構成されている。
【００３３】
この接合膜は、陽極接合時にそれぞれ酸素原子と共有結合可能な複数の金属単体を有しこれら金属単体が非晶質構造となるような非晶質合金膜２１ａ（図１（ｂ）参照。）を陽極接合によって少なくとも酸化した膜である。接合膜２１の状態での複数の金属単体はいずれも主基板１０中のガラスに含まれる酸素原子と結合されているので良好に主基板１０と副基板２０とを良好に接合することができる。特に、本発明においては、非晶質合金膜として、特定の組成比率を有するタンタルとシリコンからなる金属化合物（タンタルシリコンＴａ１−ｘＳｉｘ；ｘ＝０．３）を良好に適用することができる。なお、本発明に係る接合膜の具体的な構成（材質や膜質等）については、後に詳しく検証する。
【００３４】
このような構成を有する化学反応装置の製造プロセスは、概略、図１（ｂ）に示すように、まず、ガラス（ＳｉＯ２）からなる主基板１０の一面側に、フォトエッチング技術等を用いて、例えば、ミクロンオーダーの幅及び深さの断面形状を有する溝部１１ａを形成し、溝部１１ａにアルミニウムを被膜後、陽極酸化して酸化アルミニウムからなる多孔質膜を形成する。その後、銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）系の触媒物質の懸濁液に浸漬してアニールすることにより、溝部１１ａの多孔質膜の内壁面に触媒粒子が担持された触媒層１２を形成する。
【００３５】
この主基板１０側の溝部１１ａの形成工程とは独立して、例えば、板厚０．２ｍｍ以下のガラス（ＳｉＯ２）からなる副基板２０の一面側に、タンタル原子とシリコン（珪素）原子が所定の比率（本発明においては、タンタル７に対してシリコン３の割合）でストライプ状に配置されたターゲットを用いたＲＦスパッタリング（スパッタ法）により、少なくとも数百ｎｍ厚の非晶質構造のタンタルシリコン（ＴａＳｉ）の薄膜を含む非晶質合金膜２１ａを単一のプロセスにより形成する。非晶質合金膜２１ａの厚さは２００ｎｍ〜５００ｎｍ程度が陽極接合には適しているが、厚く堆積させすぎると、皺が生じてしまい膜厚が不均一になってしまうので２００ｎｍ〜３００ｎｍの膜厚が好ましい。そして、副基板２０の他面側に例えば、副基板２０の他面側に金（Ａｕ）を含む発熱抵抗体等からなる薄膜ヒータ３０を形成する。
【００３６】
次いで、上記主基板１０の一面側と、副基板２０の一面側に形成された非晶質合金膜２１ａとを対向するように重ねて、図１（ｃ）に示すように、３００℃〜８００℃の温度条件で、主基板１０と非晶質合金膜２１ａとの間に３００Ｖ〜２０００Ｖの直流電圧を印加して、陽極接合法により非晶質合金膜２１ａのタンタル原子及びシリコン原子ともにが主基板１０のガラス成分である酸素原子と結びついて接合膜２１となって主基板１０と副基板２０とを接合する。これにより、主基板に形成された溝部１１ａの開口端が副基板及び接合膜２１により閉止され、所定の流路形状を有する反応流路１１が形成される。
【００３７】
なお、ここでは、図１（ｂ）において、副基板側にスパッタ法により非晶質合金膜２１ａを形成するプロセスを示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、予め主基板１０の一面側に非晶質合金膜２１ａを形成した後、溝部１１ａを形成し、副基板２０を非晶質合金膜２１ａと接合することにより、溝部１１ａを閉止するようにしてもよい。また、例えば、副基板２０の他面側に薄膜ヒータ３０を形成した後、一方の面側に非晶質合金膜２１ａを形成するようにしてから陽極接合を行ってもよい。
【００３８】
このような構成を有する化学反応装置において、例えば、メタノールと水からなる原料物質を気化した混合流体（混合ガス；第１の流体物質）を上記反応流路１１内に導入するとともに、図示を省略したヒータ電源により薄膜ヒータ３０に所定の電圧を印加して加熱し、反応流路１１内に付着形成された触媒層１２に所定の熱エネルギーを供給することにより、吸熱触媒反応（メタノール水蒸気改質反応）が生じて水素ガス（第２の流体物質）と少量の二酸化炭素が生成される。なお、メタノール等の炭化水素系（又は、アルコール系）の原料から触媒反応により水素ガスを生成する技術は、近年、本格的な実用化に向けての研究開発が目覚ましい燃料電池システムにおける燃料改質装置にも適用される技術であり、本発明に係る化学反応装置の燃料電池システムへの適用例については詳しく後述するものとする。
【００３９】
次に、上述した構成を有する化学反応装置に適用される接合膜２１となる非晶質合金膜２１ａの材質及びその特性について、詳しく説明する。
本願発明者らは、本発明に係る化学反応装置に適用される接合膜２１となる非晶質合金膜２１ａに適用可能な複数の金属材料（金属性材料）について、種々の実験を行い、その有効性について検証したところ、上述したように、タンタルとシリコンの金属化合物（Ｔａ１−ｘＳｉｘ）からなる非晶質合金が極めて良好な特性を示すことを見出した。以下、その理由を具体的に説明する。
【００４０】
図３は、本実施形態に係る非晶質合金膜に適用可能な金属材料（金属性材料）の特性を検証するために用いたモデル構造を示す概略図である。
本願発明者らは、非晶質合金膜に適用可能な種々の金属材料（金属性材料）を用いて、図１に示したような構成を有する化学反応装置に類似するモデル構造を用い、その特性の良否を判断した。ここでは、非晶質合金膜としての特性を検証するために、ガラス基板の一面側に数百ｎｍの膜厚を有する金属薄膜をスパッタ法により形成し、その膜質について検討した。
【００４１】
具体的には、上記モデル構造として、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ガラス基板ＳＵＢ上にタンタルとシリコン、酸素からなる化合物膜（Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ）である緩衝膜ＰＲＴを、例えば５００ｎｍの膜厚で形成した後、タンタル（Ｔａ）薄膜、もしくは、本発明に係るタンタルシリコン（Ｔａ１−ｘＳｉｘ）からなる接合用金属膜ＬＹ（Ta）、非晶質合金膜ＬＹ（TaSi）を、例えば２００ｎｍの膜厚で積層形成した構成を用いて検証を行った。ここで、タンタル（Ｔａ）は単体として、一般的に適用されている陽極接合時に酸化される金属材料であり、同様にシリコン（Ｓｉ）は単体として、一般的に適用されている陽極接合時に酸化される金属材料である。また、ガラス基板（例えば、閉止基板）上に形成したタンタル、シリコン、酸素からなる化合物膜（Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ）である緩衝膜ＰＲＴは、本モデル構造を実際の化学反応装置に適用した場合、陽極接合する際に当該ガラス基板内に含まれるアルカリイオンが析出するのを防止するための保護膜である。
【００４２】
図４は、比較例として基板上に被膜された（Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ）緩衝膜ＰＲＴ上に、２００ｎｍ厚のタンタル単体の膜の成膜直後の組成比率を示す図であり、図５は、図４のタンタル単体膜を陽極接合時の温度範囲で熱処理した後の組成比率を示す図である。図６は、図４に示す、基板上に形成したタンタル膜の結晶性を検証のためのＸ線回折測定の結果を示すデータである。
【００４３】
まず、ガラス基板ＳＵＢ上にタンタル、シリコン、酸素からなる緩衝膜ＰＲＴと、タンタル（Ｔａ）からなる接合用金属膜ＬＹ（Ta）を積層したモデル構造（図３（ａ））においては、成膜直後においては、図４に示すように、タンタルが大気中の酸素により比較的酸化しやすい特性を有しているため、当該接合用金属膜ＬＹ（Ta）のごく表層において酸素の組成比率（含有量）が高くなるものの、緩衝膜ＰＲＴとの境界である、膜表面からの深さ（膜厚）２００ｎｍの領域まで全域にわたり、タンタルのみが含まれる組成を示した。なお、膜表面からの深さが２００ｎｍよりも深い領域では、保護膜である緩衝膜ＰＲＴを構成するタンタル、シリコン、酸素による所定の組成比率（モル比）が概ね、タンタル０．２、シリコン０．１、酸素０．７を示す。
【００４４】
次いで、本モデル構造に対して、大気中にて４００℃の温度を３０分間継続して印加する熱処理を施した後においては、図５に示すように、タンタルの膜厚である２００ｎｍの深さ領域までほぼ全域にわたり、酸素の組成比率が上昇し、大気中の酸素による酸化が進行したことが判明した。
【００４５】
これは、例えば、シリコン基板上に、スパッタ法を用いて数百ｎｍの膜厚で薄膜形成したタンタル膜の結晶性をＸ線回折装置を用いて測定すると、図６に示すように、タンタル特有の回折角度（２θ）である概ね３３〜３４付近degに、幅が狭く極めて高い強度（概ね１２０００ＣＰＳ程度）を示す鋭峻なピークが得られることから、基板上に形成されたタンタルの薄膜は結晶性が極めて高い膜質（単結晶性）を有し、これにより、膜内部で結晶粒界が生じ、上述したような大気中での熱処理により該粒界に酸素が入り込んで、タンタル膜の全域にわたり酸化が進行したものと考えられる。
このようなタンタル単体からなる金属膜の全域にわたり酸化が進行すると、膜質がもろくなって接合状態が劣化し、接合強度が不足して基板の剥離、損傷等を生じる問題がある。
【００４６】
図７は、基板上に被膜された（Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ）緩衝膜ＰＲＴ上に、２００ｎｍ厚の非晶質のタンタルシリコンを非晶質合金膜に適用した場合の成膜直後の組成比率を示す図であり、図８は、図７のタンタルシリコンの非晶質合金膜を、陽極接合時の温度範囲に熱処理した後の組成比率を示す図である。図９は、シリコン基板上に形成したタンタルシリコン膜の結晶性を検証のためのＸ線回折測定の結果を示すデータである。また、図１０は、シリコン基板のＸ線回折測定の結果を示すデータである。
【００４７】
これに対して、本発明であるガラス基板ＳＵＢ上にタンタル、シリコン、酸素からなる緩衝膜ＰＲＴと、タンタルシリコン（Ｔａ１−ｘＳｉｘ；ｘ＝０．３）からなる非晶質合金膜ＬＹ（TaSi）を積層したモデル構造（図３（ｂ））においては、成膜直後、図７に示すように、タンタルシリコンは非晶質構造であるため表面にヒビが入りにくく、大気中では非常に安定した状態にあり、大気中の酸素による酸化をほとんど受けない特性を有しているため、当該非晶質合金膜ＬＹ（TaSi）と緩衝膜ＰＲＴとの境界である、膜表面からの深さ（膜厚）２００ｎｍの領域まで全域にわたり、タンタルとシリコンが略均一な組成モル比率（概ね、タンタル０．７、シリコン０．３）を示した。
【００４８】
次いで、上述したタンタル薄膜を用いた場合と同様に、本モデル構造に対して、大気中にて４００℃の温度を３０分間継続して印加する熱処理を施した後においては、図８に示すように、当該非晶質合金膜ＬＹ（TaSi）のごく表層において酸素の組成比率（含有量）が高くなるものの、２００ｎｍの深さ領域までほぼ全域にわたり、タンタルとシリコンが略均一な組成比率（概ね、タンタル０．７、シリコン０．３）を示した。すなわち、非晶質合金膜ＬＹ（TaSi）の表層においてのみ、酸化が進行したことが判明した。
【００４９】
これは、例えば、シリコン基板上に、スパッタ法を用いて数百ｎｍの膜厚で薄膜形成したタンタルシリコン膜の結晶性をＸ線回折装置を用いて測定すると、図９に示すように、Ｘ線回折の結果においても、タンタルシリコン特有の回折角度（２θ）の近傍である概ね３５〜４０deg付近に、幅が広く比較的低い強度（概ね５０００ＣＰＳ程度）を示す比較的緩やかなピークが得られることから、基板上に形成されたタンタルシリコンの薄膜は結晶性が比較的低い膜質、すなわち、アモルファス質となるようにタンタル及びシリコンが固溶しており、これにより、膜内部での結晶粒界の生成が抑制され、上述したような大気中での熱処理によっても酸素が膜内部に入り込むことがなく、膜のほぼ全域にわたりタンタルとシリコンの均一な組成が保持されたものと考えられる。
【００５０】
したがって、本発明に係るタンタルシリコンからなる非晶質合金膜を適用することにより、陽極接合時に酸化が進行しすぎて膜質がもろくならず、さらに非晶質合金膜を構成する複数の金属単体（タンタル単体及びシリコン単体）はともに陽極接合時に酸素と結合することができるので、接合されるガラス基板に含まれる酸素分子と非晶質合金膜とが良好に結合して良好な接合状態が得られるとともに、非晶質合金膜の膜質の劣化を防止して接合強度の良好な化学反応装置を実現することができる。
【００５１】
なお、図６に示した実験データにおいて、タンタル特有の回折角度ではない６５deg付近に微小なピーク（強度４０００ＣＰＳ程度）が認められ、また、図９に示した実験データにおいても、回折角度５５deg付近に微小なピーク（強度４０００ＣＰＳ程度）が認められる。このピークについて、上記各金属材料による薄膜を形成するために適用したシリコン基板単体を用いてＸ線回折測定を行うと、図１０に示すように、シリコン特有の鋭峻なピークが回折角度５５deg付近に観測された。これにより、図９における微小なピークは、基板を構成するシリコン原子によるものと推定され、図６における微小なピークは、詳細は不明であるものの、Ｘ線回折測定器内の不純物やシリコン基板に含まれる不純物等に起因するものと推定される。
【００５２】
次いで、上述したタンタル膜とタンタルシリコン膜における結晶性に伴うテンションについて検証する。
図１１は、本実施形態に係る非晶質合金膜に適用されるタンタルシリコンと、その比較対象としたタンタルにおけるストレス特性を示す実験結果である。
【００５３】
本願発明者らは、上述したモデル構造（図３）のように、ガラス基板の一面側に非晶質合金膜を薄膜形成した構成において、非晶質合金膜の膜質と基板に印加されるストレスとの関係を検証したところ、例えば、ガラス基板の板厚が概ね０．７ｍｍ以上の場合では、数百ｎｍ（１００ｎｍ〜１μｍ）程度の膜厚を有するタンタル（Ｔａ）からなる金属膜をスパッタ法により形成した場合には、ガラス基板の平板性は良好に保持されるのに対して、化学反応装置の小型薄型化のために、ガラス基板の板厚を概ね０．２ｍｍ以下にした場合には、同様のプロセス条件において、ガラス基板の平板性が損なわれ、反り返りが発生することが確認された。
【００５４】
このような現象は、上述したＸ線回折データ（図６参照）に示したように、タンタル膜の結晶性が比較的高いことから、これに伴うテンション（伸張力又は圧縮力）に起因して、図１１中、ＳＰａに示すように、ガラス基板とタンタル膜との間に極めて高いストレス（引っ張り又は圧縮応力の差；概ね２８×１０１０dyn/cm２程度のストレス値）が生じることによると考えられる。
【００５５】
これに対して、本発明に係る非晶質合金膜に適用されるタンタルシリコンについて、同様に、板厚が概ね０．２ｍｍ以下のガラス基板に膜厚が数百ｎｍ（１００ｎｍ〜１μｍ）程度のタンタルシリコンからなる非晶質合金膜をスパッタ法により形成した場合に生じるストレスについて測定したところ、上述したＸ線回折データ（図９参照）に示したように、タンタルシリコンの薄膜は結晶性が比較的低い膜質（アモルファス質）を有していることから、これによるテンションは大幅に低くなり、図１１中、ＳＰｂに示すように、ガラス基板ととの間にほとんどストレスが生じない（略０dyn/cm２のストレス値）ことが判明した。したがって、ガラス基板の平板性を良好に保持することができる。
【００５６】
このように、比較的薄い基板上に、膜の全域でアモルファス質の（結晶性の低い）酸化性金属薄膜を形成することにより、膜内部で生じる結晶粒界を抑制して、大気中の酸素による酸化の進行を抑制して膜質の劣化を防止することができるとともに、当該結晶性に起因するテンションを低減して、基板との間で生じるストレスを低減して基板の平板性を良好に保持することができる。
【００５７】
特に、今回、本願発明者らは、上述したような実験結果に鑑み、種々検討を重ねた結果、０．２ｍｍ以下の比較的薄い板厚を有するガラス基板上に、非晶質合金膜をスパッタ法により形成する場合、該非晶質合金膜に適用される薄膜材料として、アモルファス質を有する金属化合物、より詳しくは、例えば、タンタルとシリコンの金属化合物（Ｔａ１−ｘＳｉｘ）であって、その組成比率をタンタル０．７に対してシリコン０．３に設定した場合（ｘ＝０．３）に、非晶質合金膜としての基板との接合状態、大気中での耐酸化性、基板との間に生じるストレス、製造プロセスの容易性等の各観点から最適な材料であるとの結論に達した。
【００５８】
以上のことから、本実施形態に係る化学反応装置においては、溝状の反応流路が形成されたガラス基板からなる主基板と、該反応流路の開放端を閉止するためのガラス基板からなる副基板との間に、アモルファス質の単一層の金属膜、例えば、タンタルシリコンＴａ１−ｘＳｉｘからなる（より望ましくは、タンタル０．７に対してシリコン０．３の組成比率を有する）非晶質合金膜を介在させた構成を有することにより、当該非晶質合金膜を副基板に単一のスパッタ処理で形成することができるとともに、主基板との陽極接合までの間、大気中（酸素を含む雰囲気下）で搬送や保管した場合であっても、非晶質合金膜の表面のみならず膜内部においても酸化されにくいので、基板の取り扱いが容易になるとともに、プロセスの簡易化や低コスト化を図ることができる。
【００５９】
また、非晶質合金膜の表面に分布して、陽極接合に直接寄与する金属の量が、タンタルシリコンの組成比率により設定されるので、タンタルとガラス基板中の酸素分子との非晶質状態を制御して良好な接合状態を実現することができる。
また、基板上にスパッタ法により薄膜形成されるタンタルシリコン膜は、結晶性の低いアモルファス質の膜質を有しているので、ストレス値が極めて低く、副基板へのテンションの影響を抑制することができ、副基板の反り返り等の発生を抑制することができる。
さらに、本実施形態に係る化学反応装置によれば、主基板及び副基板として、ガラス基板を適用することができるので、主基板として高価なシリコン基板等を適用した場合に比較して、化学反応装置を安価に製造することができる。
【００６０】
＜電源システムへの適用例＞
次に、本発明に係る化学反応装置を、燃料電池を備えた電源システムに適用した場合の具体例について説明する。
図１２は、本発明に係る化学反応装置を適用可能な電源システム（燃料電池システム）の一実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。なお、ここでは、電源システムとして、燃料改質供給方式を採用した固体高分子型の燃料電池を備えた構成について説明する。
【００６１】
図１２に示すように、本実施形態に係る電源システム（燃料電池システム）１００は、概略、メタノールＣＨ３ＯＨ等の炭化水素系の発電用燃料と水Ｈ２Ｏが個別に封入された燃料カートリッジ（発電用燃料容器）１２０と、該燃料カートリッジ１２０から取り出された発電用燃料（メタノールＣＨ３ＯＨ）を改質して水素ガスＨ２を取り出す改質部（改質手段）１１２と、水素ガスＨ２と酸素Ｏ２とを用いた電気化学反応により電気エネルギーを生成する固体高分子型の燃料電池からなる発電セル部（燃料電池本体）１１１と、発電セル部１１１における電気化学反応により生成された副生成物である水Ｈ２Ｏを回収するとともに、少なくとも発電セル部１１１の電解質膜（イオン交換膜）への当該水の供給状態を制御する水回収制御部（水回収制御手段）１１３と、燃料カートリッジ１２０に封入された発電用燃料の改質部への供給状態を制御する燃料供給制御部（燃料供給制御手段）１１４と、少なくとも燃料カートリッジ１２０に封入された水の発電セル部１１１の電解質膜への供給状態を制御する水供給制御部（水供給制御手段）１１５と、を備えた構成を有している。
【００６２】
ここで、発電セル部１１１、改質部１１２、水回収制御部１１３、燃料供給制御部１１４及び水供給制御部１１５は、発電モジュール１１０を構成し、該発電モジュール１１０に対して、燃料カートリッジ１２０が着脱可能に構成されている。したがって、後述するように、発電モジュール１１０は、例えば、本発明に係る燃料電池システムが搭載される電子機器に内蔵され、あたかも乾電池やバッテリ等を交換する場合と同様の使い勝手で、該電子機器（発電モジュール）に対して、燃料カートリッジ１２０のみを着脱（交換）することにより発電用燃料及び水が補給される。
【００６３】
以下、各構成について詳しく説明する。
（発電セル部１１１）
図１３は、本実施形態に係る電源システムに適用可能な固体高分子型の燃料電池を示す概略構成図である。
本実施形態に係る電源システム（燃料電池システム）に適用される発電セル部（燃料電池本体）１１１は、図１３に示すように、概略、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるアノード極ＥＬａと、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるカソード極ＥＬｃと、アノード極ＥＬａとカソード極ＥＬｃの間に介挿されたフィルム状の電解質膜（イオン交換膜）ＬＹｉと、を有し、アノード極ＥＬａ側には、後述する燃料供給制御部１１４及び改質部１１２により発電用燃料（メタノールＣＨ３ＯＨ）を改質して得られた水素ガスＨ２が供給され、一方、カソード極ＥＬｃ側は、例えば、外気に連通して、大気（空気）中の酸素Ｏ２が直接かつ常時供給されるように構成されている。
【００６４】
ここで、本実施形態に係る発電セル部１１１においては、燃料カートリッジ１２０（燃料封入部１２１）から取り出されたメタノールＣＨ３ＯＨが改質部１１２により改質されて、水素ガスＨ２のみがアノード極ＥＬａに供給されるとともに、燃料カートリッジ１２０（水封入部１２２）から取り出された水Ｈ２Ｏが直接、又は、発電セル部１１１における発電動作に伴って副生成物として生成される水Ｈ２Ｏが回収されて、電解質膜ＬＹｉに供給される。発電セル部１１１への水素ガスＨ２及び水Ｈ２Ｏの供給状態（供給タイミング及び供給量）は、後述する燃料供給制御部１１４、及び、水供給制御部１１５又は水回収制御部１１３により、適宜制御される。
【００６５】
そして、このような構成を有する燃料改質供給方式の燃料電池における発電動作に係る電気化学反応は、アノード極ＥＬａに水素ガスＨ２が供給されると、次の化学反応式（１）に示すように、触媒反応により電子（ｅ−）が分離して水素イオンＨ＋が発生し、電解質膜ＬＹｉを介してカソード極ＥＬｃ側に通過するとともに、アノード極ＥＬａを構成する炭素電極により電子ｅ−が取り出されて負荷ＬＤに供給される。
２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ−          ・・・（１）
【００６６】
一方、カソード極ＥＬｃに空気（酸素Ｏ２）が供給されることにより、次の化学反応式（２）に示すように、触媒により負荷ＬＤを経由した電子ｅ−と電解質膜ＬＹｉを通過した水素イオンＨ＋と空気中の酸素Ｏ２が反応して、副生成物として水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ          ・・・（２）
【００６７】
ここで、上述した一連の電気化学反応（（１）式及び（２）式）は、概ね６０〜８０℃の比較的低温の温度条件で進行し、電気エネルギー（電力）以外の副生成物は基本的に水Ｈ２Ｏのみとなる。なお、このような電気化学反応により取り出される電気エネルギーは、発電セル部１１１のアノード極ＥＬａに供給される水素ガスＨ２の量に依存する。
【００６８】
なお、上述した発電動作において、電解質膜ＬＹｉにおける水素イオンＨ＋の伝導（通過）には、水Ｈ２Ｏ（水分）が介在して、Ｈ３Ｏ＋イオンが生成される必要があり、上記電気化学反応を促進して発電効率を高めるためには、電解質膜ＬＹｉ付近の雰囲気を水蒸気飽和状態（湿潤状態）にする必要があることが知られている。
【００６９】
そこで、本実施形態においては、発電セル部１１１（電解質膜ＬＹｉ）への水の供給方法として、システム起動時（発電動作開始時及び開始直後）においては、水供給制御部１１５により燃料カートリッジ１２０の水封入部１２２に封入された水Ｈ２Ｏが直接供給されて、電解質膜ＬＹｉが所定の湿潤状態（水蒸気飽和状態）に保持されるように制御され、発電セル部１１１における発電動作が定常状態に移行した後においては、水回収制御部１１３により発電セル部１１１における発電動作に伴って生成され、回収された水Ｈ２Ｏが供給されて、電解質膜ＬＹｉが所定の湿潤状態（水蒸気飽和状態）に保持されるように制御される。
【００７０】
（改質部１１２）
図１４は、本実施形態に係る電源システムに適用される改質部の一構成例を示す概念図であり、図１５は、本実施形態に係る電源システムに適用される改質部おける化学反応の一例を示す概念図である。また、図１６は、本実施形態に係る電源システムの改質部に、本発明に係る化学反応装置を適用した場合の一構成例を示す概略図である。
【００７１】
本実施形態に係る電源システムに適用される改質部１１２は、図１４に示すように、燃料カートリッジ１２０から供給されたメタノールＣＨ３ＯＨ及び少量の水Ｈ２Ｏを加熱して気化させる燃料気化器（蒸発器）１１２ａと、気化されたメタノール（メタノールガス）及び水（水蒸気）から所定の触媒反応により、水素ガスＨ２を生成する燃料改質器１１２ｂと、燃料改質器１１２ｂにおいて、水素ガスＨ２の生成の際に副生成物として生成される一酸化炭素ＣＯと水Ｈ２Ｏ及び酸素Ｏ２から所定の触媒反応により、水素ガスＨ２と二酸化炭素ＣＯ２を生成するＣＯ除去器１１２ｃと、少なくとも燃料気化器１１２ａ及び燃料改質器１１２ｂ、ＣＯ除去器１１２ｃにおける化学反応を促進するための温度条件を制御する薄膜ヒータＨａ、Ｈｂ、Ｈｃ及び燃焼器１１２ｄと、を備えて構成されている。
【００７２】
ここで、薄膜ヒータＨａ、Ｈｂは、改質初期には、図示を省略した電源（例えば、蓄電池等の補助電源）からの電力により発熱し、改質された水素が供給されることによって発電セル部１１１が発電してからは、発電セル部１１１において生成された電気エネルギー（電力）を電源として切り換えて発熱することで発熱温度が制御される。また、燃料器１１２ｄは、燃料カートリッジ１２０から供給されたメタノールＣＨ３ＯＨを気化する燃料気化機能（例えば、概ね９０℃程度の温度条件でメタノールを気化する機能）を備え、気化したメタノールガスと大気中に含まれる酸素Ｏ２との酸化反応（燃焼反応）により、あるいは、発電セル部１１１のアノード電極ＥＬａ側において上記（１）式に示した化学反応に寄与することなく残留した未反応の水素ガスＨ２と大気中に含まれる酸素Ｏ２との酸化反応（燃焼反応）により発熱温度が制御される。なお、燃焼器１１２ｄにおける発熱は、上述したメタノールガス又は水素ガスのいずれか一方のみの燃焼によるものであってもよいし、双方を併用するものであってもよいし、上記燃料気化器１１２ａ及び燃料改質器１１２ｂ、ＣＯ除去器１１２ｃの各反応部に対して個別の反応室で酸化反応させて、個別に発熱温度を制御するものであってもよい。
【００７３】
このような温度制御機構に加えて、改質された水素が供給されることによって発電セル部１１１が発電してからは、発電セル部１１１で発電に利用されなかった残存した水素及び外部から取り込んだ空気中の酸素を燃焼器１１２ｄに供給することにより燃焼器１１２ｄ内で水素の燃焼反応を引き起こして高い熱量の発熱をもたらす。したがって、発電以降は、燃焼器１１２ｄが改質部１１２の主たる熱源となって、薄膜ヒータにＨａ、Ｈｂにより補助的に加熱して温度条件の細かな調整（微調整）が行われることになり、比較的少ない電気エネルギー（電力）で所望の温度条件（後述する数百℃程度の温度条件）を実現することができ、生成された電気エネルギーの消費を抑制することができる。
【００７４】
そして、このような構成を有する改質部１１２において、燃料改質器１１２ｂにおける触媒反応は、吸熱水蒸気改質反応により実現され、また、ＣＯ除去器１１２ｃにおける触媒反応は、発熱水性シフト反応及び発熱選択酸化反応により実現される。
具体的には、改質部１１２において、例えば、メタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏから、水素ガスＨ２を生成する場合にあっては、図１５（ａ）に示すように、まず、燃料気化器１１２ａにおける蒸発過程において、上述した薄膜ヒータＨａ及び燃焼器１１２ｄを制御して、メタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏの沸点程度の温度条件にあわせて燃料気化器１１２ａの加熱温度（例えば、概ね１２０℃程度）に設定することにより、燃料カートリッジ１２０から供給されたメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏを個別に加熱して、もしくは、混合液体を一括して加熱して気化する。
【００７５】
次いで、燃料改質器１１２ｂにおける水蒸気改質反応過程において、薄膜ヒータＨｂ及び燃焼器１１２ｄを制御して、概ね２８０℃程度の温度条件に設定することにより、次の化学反応式（３）に示すように、水素Ｈ２と微量の二酸化炭素ＣＯ２を生成する。なお、この水蒸気改質反応においては、水素Ｈ２と二酸化炭素ＣＯ２以外に副生成物として微量の一酸化炭素ＣＯが生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２＋ＣＯ２        ・・・（３）
【００７６】
したがって、このような有害な副生成物を除去するため、図１５（ｂ）に示すように、ＣＯ除去器１１２ｃにおいて、薄膜ヒータＨｃ及び燃焼器１１２ｄを制御して、概ね１８０℃程度の温度条件に設定することにより、次の化学反応式（４）に示すように、一酸化炭素に対して水Ｈ２Ｏ（水蒸気）を反応させて、二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２を生成する水性シフト反応過程、及び、該水性シフト反応において二酸化炭素と水素に変換されなかった一酸化炭素ＣＯに対して、大気中の酸素Ｏ２を反応させて、二酸化炭素ＣＯ２を生成する選択酸化反応過程が実行される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ →ＣＯ２＋Ｈ２        ・・・（４）
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２ →ＣＯ２            （５）
【００７７】
（燃料供給制御部１１４）
図１２に示すように、燃料供給制御部１１４は、燃料カートリッジ１２０（燃料封入部１２１）と発電モジュール１１０との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ１２０に封入された発電用燃料（メタノールＣＨ３ＯＨ）を、上述した改質器１１２に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
【００７８】
（水供給制御部１１５）
図１２に示すように、水供給制御部１１５は、燃料カートリッジ１２０（水封入部１２２）と発電モジュール１０との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ２１０に封入された水Ｈ２Ｏを、上述した改質部１１２及び発電セル部１１１に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
【００７９】
なお、燃料供給制御部１１４及び水供給制御部１１５は、具体的には、例えば、燃料カートリッジ１２０と改質部１１２間、及び、燃料カートリッジ１２０と発電セル部１１１間の燃料供給経路や水供給経路に、液体ポンプや流量制御バルブ等（もしくは、これらと同等の機能を有する供給機構）を備えた構成を適用することができる。
【００８０】
（水回収制御部１１３）
図１２に示すように、水回収制御部１１３は、発電セル部１１１における発電動作に係る電気化学反応において、副生成物として生成される水Ｈ２Ｏを回収して、少なくとも発電セル部１１１に再度供給し、電解質膜（イオン交換膜）を所定の湿潤状態に保持する。さらに、水回収制御部１１３により回収された水の一部は、改質部１１２（燃料気化器１１２ａ、ＣＯ除去器１１２ｃ）に供給されて各化学反応に用いられるようにしてもよい。なお、水回収制御部１１３は、具体的には、液体ポンプや流量制御バルブ、流路切換バルブ等（もしくは、これらと同等の機能を有する供給機構）を備えた構成を適用することができる。
【００８１】
（燃料カートリッジ１２０）
図１２に示すように、燃料カートリッジ１２０は、発電用燃料であるメタノールＣＨ３ＯＨが封入されたパッケージからなる燃料封入部１２１と、所定量の水Ｈ２Ｏが封入されたパッケージからなる水封入部１２２とからなり、例えば、これらが一体化されて、発電モジュールに対して、着脱可能に構成されている。
【００８２】
なお、本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、発電用燃料がなくなり、発電モジュール１１０から取り外された燃料カートリッジ１２０は、所定のリサイクルルートを介して回収されて、適正に処分されることが望ましいが、回収されることなく廃棄された場合であっても、有害物質（例えば、有機塩素化合物や重金属等）の発生等、環境に影響を与えることのない、又は、その影響の少ない材質より形成されていることが望ましい。
【００８３】
また、本実施形態に係る燃料電池システムに用いられる発電用燃料としては、少なくとも、上述した燃料電池からなる発電セル部において、高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成することができ、かつ、発電用燃料が封入された上記燃料カートリッジが使用後、自然界に投棄又は埋め立て処分されて、残存する発電用燃料が大気中や土壌中、水中に漏れ出し、あるいは、焼却処分されて大気中に排出された場合等であっても、自然環境に対して汚染物質とならない燃料であることが望ましく、具体的には、上記メタノールのほか、エタノール、ブタノール（アルコール類）等の炭化水素系の液体燃料を良好に適用することができる。
【００８４】
そして、このような構成を有する電源システムにおいて、上記改質部１１２の燃料気化器１１２ａ、燃料改質器１１２ｂ、ＣＯ除去器１１２ｃ及び燃焼器１１２ｄの各々について、上述した本発明に係る化学反応装置（反応部）を適用し、これらを相互に積層形成した構成を良好に適用することができる。
【００８５】
すなわち、図１６に示すように、例えば、上述した燃料気化器１１２ａは、一面側に反応流路が形成された主基板（ガラス基板）ＳＢａと、一面側に発熱抵抗体からなる薄膜ヒータＨａが形成された副基板（ガラス基板）ＣＬａと、主基板ＳＢａの他面側に設けられ且つ非晶質のタンタルシリコンが陽極接合により副基板ＣＬａの他面側の酸素原子と結合された接合膜ＭＬａと、を備えた化学反応装置（マイクロリアクタ）の構成を適用することができる。
【００８６】
また、上述した燃料改質器１１２ｂについても、一面側に反応流路が形成された主基板（ガラス基板）ＳＢｂと、一面側に接合膜ＭＬａと同様の接合膜ＭＬｂが形成された副基板（ガラス基板）ＣＬｂとを陽極接合により接合した化学反応装置（マイクロリアクタ）の構成を適用することができる。なお、薄膜抵抗体からなる薄膜ヒータＨｂは、燃料改質器１１２ｂに伝達される熱エネルギーを調整制御するために、例えば、燃料改質器１１２ｂに密着して積層形成される燃焼器１１２ｄの副基板（ガラス基板）ＣＬｄの他面側に形成されている。
【００８７】
また、上述したＣＯ除去器１１２ｃについても、一面側に反応流路が形成された主基板（ガラス基板）ＳＢｃと、一面側に接合膜ＭＬａと同様の接合膜ＭＬｃが形成されるとともに、他面側に薄膜抵抗体からなる薄膜ヒータＨｃが形成された副基板（ガラス基板）ＣＬｃとを陽極接合により接合した化学反応装置（マイクロリアクタ）の構成を適用することができる。
【００８８】
さらに、上述した燃焼器１１２ｄは、一面側に反応流路が形成された主基板（ガラス基板）ＳＢｄと、一面側に接合膜ＭＬａと同様の接合膜ＭＬｄが形成されるとともに、他面側に燃料改質器１１２ｂ用の薄膜ヒータＨｂが形成された副基板（ガラス基板）ＣＬｃとを陽極接合により接合した化学反応装置（マイクロリアクタ）の構成を適用することができる。なお、燃焼器１１２ｄに備えられる燃料気化機能（図中、便宜的に「１１２ｅ」で表記する）についても、上述した燃料気化器１１２ａと同様に、一面側に反応流路が形成された主基板（ガラス基板）ＳＢｅと、一面側に接合膜ＭＬａと同様の接合膜ＭＬｅが形成されるとともに、他面側に発熱抵抗体からなる薄膜ヒータＨｅが形成された副基板（ガラス基板）ＣＬｅとを陽極接合により接合した化学反応装置（マイクロリアクタ）の構成を適用することができる。
【００８９】
そして、これらの改質部１１２の各構成は、薄膜ヒータＨａ、Ｈｂ、Ｈｃや燃焼器１１２ｄから放出される熱エネルギーの伝達状態を考慮して、燃焼器１１２ｄ、燃料改質器１１２ｂ、ＣＯ除去器１１２ｃ、燃料気化器１１２ａ及び燃料気化機能１１２ｅの順で積層形成されている。ここで、各構成間の接合についても陽極接合の手法を良好に適用することができる。なお、図１６においては、各化学反応装置における流体物質の導入部及び排出部の構成について、図示を省略したが、例えば、上述した図１４、図１５に示した一連の化学反応に対応するように、各層間で連通する流路を備えた構成を良好に適用することができる。
【００９０】
これにより、電源システム１００における改質部１１２を構成する各化学反応装置の基板相互、及び、該化学反応装置相互を良好に接合することができるので、基板の剥離や損傷、流体物質の漏洩等を生じることなく、所望の化学反応により、メタノール等の炭化水素系の発電用燃料から水素ガスを生成して発電セル部に良好に供給することができ、信頼性の高い電源システムを実現することができる。
【００９１】
また、このような構成によれば、改質部１１２の各構成の基板の板厚を薄くして大幅に小型薄型化することができるとともに、安価な基板材料を用いて、簡易な製造プロセスで形成することができるので、例えば、ノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末等の携帯型の電子機器への当該電源システムの搭載を容易にして促進することができる。
【００９２】
なお、本実施形態に係る電源システムにおいては、本発明に係る化学反応装置を適用した改質部により生成される所定の流体物質（水素ガス等）を用いて発電を行う、燃料改質供給方式の燃料電池を備えた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、化学反応装置（マイクロリアクタ）を用いて生成された流体物質の燃焼反応に伴う熱エネルギーによるもの（温度差発電）や、燃焼反応等に伴う圧力エネルギーを用いて発電器を回転させて電力を発生する力学的なエネルギー変換作用等によるもの（ガス燃焼タービンやロータリーエンジン、スターリングエンジン等の内燃、外燃機関発電）、また、発電用燃料ＦＬの流体エネルギーや熱エネルギーを電磁誘導の原理等を利用して電力に変換するもの（電磁流体力学発電、熱音響効果発電等）等、種々の形態を有する電源システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明に係る化学反応装置及びその製造プロセスの一実施形態を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る化学反応装置に適用される反応流路の平面パターン（流路形状）の一例を示す概略図である。
【図３】本実施形態に係る非晶質合金膜に適用可能な金属材料（金属性材料）の特性を検証するために用いたモデル構造を示す概略図である。
【図４】タンタルを非晶質合金膜に適用した場合の成膜直後の組成比率を示す図である。
【図５】タンタルを非晶質合金膜に適用した場合の所定の熱処理後の組成比率を示す図である。
【図６】基板上に形成したタンタル膜の結晶性を検証のためのＸ線回折測定の結果を示すデータである。
【図７】タンタルシリコンを非晶質合金膜に適用した場合の成膜直後の組成比率を示す図である。
【図８】タンタルシリコンを非晶質合金膜に適用した場合の所定の熱処理後の組成比率を示す図である。
【図９】基板上に形成したタンタルシリコン膜の結晶性を検証のためのＸ線回折測定の結果を示すデータである。
【図１０】シリコン基板のＸ線回折測定の結果を示すデータである。
【図１１】本実施形態に係る非晶質合金膜に適用されるタンタルシリコンと、その比較対象としたタンタルにおけるストレス特性を示す実験結果である。
【図１２】本発明に係る化学反応装置を適用可能な電源システム（燃料電池システム）の一実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。
【図１３】本実施形態に係る電源システムに適用可能な固体高分子型の燃料電池を示す概略構成図である。
【図１４】本実施形態に係る電源システムに適用される改質部の一構成例を示す概念図である。
【図１５】本実施形態に係る電源システムに適用される改質部おける化学反応の一例を示す概念図である。
【図１６】本実施形態に係る電源システムの改質部に、本発明に係る化学反応装置を適用した場合の一構成例を示す概略図である。
【図１７】従来技術におけるマイクロリアクタの基本構造を示す概略構成図である。
【図１８】従来技術におけるマイクロリアクタの製造プロセスに適用される陽極接合法を示す概念図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０        主基板
１１        反応流路
１２        触媒層
２０        副基板
２１        接合膜
３０、Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃ      薄膜ヒータ
１００      電源システム
１１１      発電セル部
１１２      改質部
１１２ａ    燃料気化器
１１２ｂ    燃料改質器
１１２ｃ    ＣＯ除去器
１１２ｄ    燃焼器
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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