(57)【要約】【課題】小型で効率の高い水素製造用の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の構成を、流路を内部に有し、この流路の一方の端部が導入口をなし、他方の端部が排出口をなす複数の単位流路部材と、この単位流路部材を多段状態で保持する連結部材とを少なくとも備えたものとし、連結部材は、単位流路部材の導入口が位置する部位、排出口が位置する部位にて単位流路部材を密着させて保持するための複数の連結部と、原料導入口と、ガス排出口とを有するものとし、単位流路部材の少なくとも１個は流路内に触媒を担持した単位マイクロリアクターとした。【選択図】  図１
2005132712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質して水素ガスを得るためのマイクロリアクターにおいて、
流路を内部に有し、該流路の一方の端部が導入口をなし、他方の端部が排出口をなす複数個の単位流路部材と、該単位流路部材を多段状態で保持する連結部材とを少なくとも備え、
前記連結部材は、単位流路部材の導入口が位置する部位、排出口が位置する部位にて単位流路部材を密着させて保持するための複数の連結部と、原料導入口と、ガス排出口とを有し、
少なくとも１個の前記単位流路部材は流路内に触媒を担持した単位マイクロリアクターであり、
前記連結部材の原料導入口から原料を導入し、複数個の前記単位流路部材のうち、前記単位マイクロリアクターにて所定の反応を行い、前記連結部材のガス排出口から所望の生成ガスを得ることを特徴とするマイクロリアクター。
【請求項２】
ｎ（ｎは２以上の整数）個の単位流路部材を有し、
前記連結部は、前記原料導入口に接続された導入連結部と、前記ガス排出口に接続された排出連結部と、相互に内部連通路で接続された（ｎ−１）組みの段移行連結部とからなり、
１段目の単位流路部材は、導入口を前記導入連結部に、排出口を前記段移行連結部に、それぞれ連結保持され、
２段目から（ｎ−１）段目の単位流路部材は、導入口を前段の段移行連結部と内部連通路で接続された段移行連結部に、排出口を別の組みの段移行連結部に、それぞれ連結保持され、
ｎ段目の単位流路部材は、導入口を前段の段移行連結部と内部連通路で接続された段移行連結部に、排出口を前記排出連結部に、それぞれ連結保持されてい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。
【請求項３】
前記単位流路部材は取り外し可能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。
【請求項４】
前記単位マイクロリアクターは、単位流路部材の流路内壁面に金属酸化膜を介して触媒を担持してい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。
【請求項５】
各単位流路部材は同一構造であって、流路内に担持する触媒種が異なる複数の単位マイクロリアクターを有す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。
【請求項６】
発熱体を備えた単位マイクロリアクターを有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のマイクロリアクター。
【請求項７】
所望の隣接する段の単位流路部材間に断熱用の空隙および／または断熱材を介在させる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。
【請求項８】
連結部材により多段状態で保持された複数の単位流路部材の他の端部を固定部材で固定したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のマイクロリアクター。
【請求項９】
単位流路部材は、流路を構成するための微細溝部が形成された１組の金属基板を前記微細溝部どうしが対向するように接合した接合体、あるいは、流路を構成するための微細溝部が形成された金属基板面に金属カバー部材を接合した接合体を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のマイクロリアクター。
【請求項１０】
単位マイクロリアクターは、前記接合体を形成した後、流路内に触媒を担持したものであることを特徴とする請求項９に記載のマイクロリアクター。
【請求項１１】
単位マイクロリアクターは、接合前の微細溝部内に触媒を担持したものであることを特徴とする請求項９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、水素製造に使用するマイクロリアクター、特に原料から水素を製造するための複数段の反応を行うことができるマイクロリアクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
燃料電池の中で、天然ガス、ガソリン、ブタンガス、メタノール等の炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスと、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気を取り出す燃料電池は、一般に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と、電気を発生させる燃料電池本体等で構成される。
【０００３】
メタノール等を原料として水蒸気改質により水素ガスを得るための改質器では、主にＣｕ−Ｚｎ系触媒を使用し、吸熱反応により原料の水蒸気改質が行われる。産業用の燃料電池では、起動・停止が頻繁に行われることがないため、改質器の温度変動は生じにくい。しかし、自動車用や携帯機器用の燃料電池では、起動・停止が頻繁に行われるため、停止状態から始動したときの改質器の立ち上がりが速い（メタノールの水蒸気改質温度に達するまでの時間が短い）ことが要求される。
一方、特に携帯機器用では、燃料電池の小型化が必須であり、改質器の小型化が種々検討されている。例えば、シリコン基板やセラミックス基板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マイクロリアクターが開発されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２５２０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のマイクロリアクターによる水素製造では、水素製造の各工程（混合、改質、ＣＯ除去）用のマイクロリアクターを準備し、これら複数のマイクロリアクターを配管で接続したものであり、必要とするスペースが大きくなり、携帯機器用の燃料電池のように、マイクロリアクターに許容されるスペースの制限が厳しい場合、小型化に重大な支障を来していた。
また、使用中に１つの工程用のマイクロリアクターにおいて触媒の失活や劣化が生じ、その機能がなくなると、正常に機能しているマイクロリアクターを含めて複数のマイクロリアクター全体を交換する必要があり、ランニングコスト低減に支障を来すという問題があった。
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、小型で効率の高い水素製造用の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、本発明は、原料を改質して水素ガスを得るためのマイクロリアクターにおいて、流路を内部に有し、該流路の一方の端部が導入口をなし、他方の端部が排出口をなす複数個の単位流路部材と、該単位流路部材を多段状態で保持する連結部材とを少なくとも備え、前記連結部材は、単位流路部材の導入口が位置する部位、排出口が位置する部位にて単位流路部材を密着させて保持するための複数の連結部と、原料導入口と、ガス排出口とを有し、少なくとも１個の前記単位流路部材は流路内に触媒を担持した単位マイクロリアクターであり、前記連結部材の原料導入口から原料を導入し、複数個の前記単位流路部材のうち、前記単位マイクロリアクターにて所定の反応を行い、前記連結部材のガス排出口から所望の生成ガスを得るような構成とした。
【０００６】
本発明の他の態様として、ｎ（ｎは２以上の整数）個の単位流路部材を有し、前記連結部は、前記原料導入口に接続された導入連結部と、前記ガス排出口に接続された排出連結部と、相互に内部連通路で接続された（ｎ−１）組みの段移行連結部とからなり、１段目の単位流路部材は、導入口を前記導入連結部に、排出口を前記段移行連結部に、それぞれ連結保持され、２段目から（ｎ−１）段目の単位流路部材は、導入口を前段の段移行連結部と内部連通路で接続された段移行連結部に、排出口を別の組みの段移行連結部に、それぞれ連結保持され、ｎ段目の単位流路部材は、導入口を前段の段移行連結部と内部連通路で接続された段移行連結部に、排出口を前記排出連結部に、それぞれ連結保持されているような構成とした。
【０００７】
本発明の他の態様として、前記単位流路部材は取り外し可能であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記単位マイクロリアクターは、単位流路部材の流路内壁面に金属酸化膜を介して触媒を担持しているような構成とした。
本発明の他の態様として、各単位流路部材は同一構造であって、流路内に担持する触媒種が異なる複数の単位マイクロリアクターを有するような構成とした。
本発明の他の態様として、発熱体を備えた単位マイクロリアクターを有するような構成とした。
本発明の他の態様として、所望の隣接する段の単位流路部材間に断熱用の空隙および／または断熱材を介在させるような構成とした。
本発明の他の態様として、連結部材により多段状態で保持された複数の単位流路部材の他の端部を固定部材で固定したような構成とした。
【０００８】
本発明の他の態様として、単位流路部材は、流路を構成するための微細溝部が形成された１組の金属基板を前記微細溝部どうしが対向するように接合した接合体、あるいは、流路を構成するための微細溝部が形成された金属基板面に金属カバー部材を接合した接合体であるような構成とした。
本発明の他の態様として、単位流路部材は、流路を構成するための微細溝部が形成された１組の金属基板を前記微細溝部どうしが対向するように接合した接合体、あるいは、流路を構成するための微細溝部が形成された金属基板面に金属カバー部材を接合した接合体を備えるような構成とした。
本発明の他の態様として、単位マイクロリアクターは、前記接合体を形成した後、流路内に触媒を担持したものであるような構成、あるいは、接合前の微細溝部内に触媒を担持したものであるような構成とした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、多段状態で連結保持している単位流路部材のうち、所望の単位流路部材が、流路内に触媒を担持した単位マイクロリアクターとされているので、スペースの利用効率が向上し、また、単位マイクロリアクターの段数、単位マイクロリアクターに担持する触媒種の選択により、所望の性能、特性を有する水素製造用のマイクロリアクターとすることができる。さらに、各単位流路部材を取り外し可能とすることにより、触媒の失活や劣化が生じた単位マイクロリアクターのみを交換して、マイクロリアクター全体としての機能を維持することができる。また、接合体を形成した後に触媒を担持して単位マイクロリアクターとすることにより、同一構造の単位流路部材（接合体）を使用し、要求される機能に応じた触媒を担持した単位マイクロリアクターを組み込むことが可能となり、マイクロリアクターの製造コスト、ランニングコストが低減される。また、所望の単位マイクロリアクターに発熱体を備えたり、単位流路部材間に断熱用の空隙や断熱材を介在させることにより、単位マイクロリアクター毎に最適な温度とすることができ、反応効率の向上と熱の有効利用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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り、図３は図１に示されるマイクロリアクターの構成部材を離間させた状態を示す斜視図である。図１〜図３において、本発明のマイクロリアクター１は、３個の単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃが３段の多段状態で連結部材４と固定部材６とで連結保持されたものである。また、各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃ間には空隙７が設けられている。
【００１１】
単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃは流路を内部に有し、この流路の一方の端部が導入口をなし、他方の端部が排出口をなすものである。そして、３個の単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃのうち、単位流路部材２ｂ，２ｃは、流路内に触媒を担持した単位マイクロリアクターである。すなわち、図２に示されるように、各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃは、微細溝部１２が形成された金属基板１１と、微細溝部１４が形成された金属基板１３とが、微細溝部１２と微細溝部１４とが対向するように接合され、周囲に金属酸化膜（絶縁層）１６が形成された接合体１０を有している。この接合体１０の内部には、対向する微細溝部１２，１４で構成された流路１５が形成されている。そして、単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂ，２ｃでは、流路１５の内壁面の全面に金属酸化膜１６を介してそれぞれ触媒Ｃ１、Ｃ２が担持されている。尚、図示例では、流路１５の内壁面に触媒を担持していない単位流路部材２ａにおいても、接合体１０内の流路１５の内壁面に金属酸化膜１６を有しているが、この金属酸化膜１６を有していなものであってもよい。
【００１２】
単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃを構成する上記の接合体１０は、図３に示されるように、同一方向に１組の突出部１０ａ，１０ｂを有している。図４は単位流路部材２ａを例とした流路１５の状態を説明するための斜視図である。図４に示されるように、流路１５は、突出部１０ａに位置する端部から突出部１０ｂに位置する端部まで蛇行して連続する形状である。そして、突出部１０ａに位置する流路１５の端部が導入口３ａをなし、突出部１０ｂに位置する流路１５の端部が排出口３ｂをなしている。具体的には、単位流路部材２ａ，単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｃでは、突出部１０ａに位置する流路１５の端部が導入口３ａをなし、突出部１０ｂに位置する流路１５の端部が排出口３ｂをなしている。また、単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂでは、突出部１０ａに位置する流路１５の端部が排出口３ｂをなし、突出部１０ｂに位置する流路１５の端部が導入口３ａをなしている。したがって、１段目の単位流路部材から３段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）に向けて、突出部１０ａ側では導入口３ａ、排出口３ｂ、導入口３ａの順に配列され、突出部１０ｂ側では排出口３ｂ、導入口３ａ、排出口３ｂの順に配列されている。
【００１３】
また、各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃを構成する接合体１０の一方の面には発熱体１７が設けられており、発熱体１７には電極１８，１８が形成され、この電極１８，１８の一部を露出させるように発熱体保護層１９が、発熱体１７を覆うように設けられている。図３では、単位流路部材２ａの発熱体保護層１９を離間させた状態を示している。尚、図示例では、単位マイクロリアクターではない単位流路部材２ａにも発熱体１７、電極１８，１８が設けられているが、単位マイクロリアクターである単位流路部材のみに発熱体１７、電極１８，１８を設けるようにしてもよい。
【００１４】
連結部材４は、各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃを多段状態で保持するものであり、ブロック体２１ａ，２１ｂでブロック体２１ｃを挟持するような形状の構造体２１を有している。図５は、連結部材４の連結部が形成された面を示す図であり、図６は図５に示される連結部材の断面図であって、（Ａ）はII−II線における断面図、（Ｂ）はIII−III線における断面図である。図５および図６に示されるように、ブロック体２１ａ，２１ｂの一方の面には、各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃを、導入口３ａや排出口３ｂが位置する接合体１０の突出部１０ａ，１０ｂにて密着させて保持するための複数の連結部２２が設けられている。また、ブロック体２１ａの反対面には原料導入口２３が、ブロック体２１ｂの反対面にはガス排出口２４が、それぞれ設けられている。
【００１５】
ブロック体２１ａに設けられている連結部２２は、原料導入口２３と内部流路２６にて接続された導入連結部２２ａと、内部連通路２５ａで相互に接続された１組の段移行連結部２２ｄ，２２ｅとからなり、これらが一列に配列されている。また、ブロック体２１ｂに設けられている連結部２２は、内部連通路２５ｂで相互に接続された１組の段移行連結部２２ｂ，２２ｃと、ガス排出入口２４と内部流路２７にて接続された排出連結部２２ｆとからなり、これらが一列に配列されている。そして、各連結部２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ）内には、各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃを構成する接合体１０の突出部１０ａ，１０ｂを気密、液密状態で密着保持するためのパッキン２８が配設されている。尚、各連結体２２の寸法は、連結保持する単位流路部材の突出部１０ａ，１０ｂの形状に対応させて適宜設定する。
【００１６】
上記の連結部材４は、導入連結部２２ａと段移行連結部２２ｂに１段目の単位流路部材２ａの突出部１０ａと突出部１０ｂをそれぞれ挿入して密着保持し、段移行連結部２２ｃと２２ｄに２段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂの突出部１０ｂと突出部１０ａをそれぞれ挿入して密着保持し、段移行連結部２２ｅと排出連結部２２ｆに３段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｃの突出部１０ａと突出部１０ｂをそれぞれ挿入して密着保持している。尚、上記のパッキン２８は、連結部材４による各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃの密着保持をより確実なものとするためのものであり、例えば、Ｏリング、シリコンラバー等の弾力性を有する材料からなるものとすることができる。また、連結部材４による各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃの密着保持をより確実なものとするために、突出部１０ａと突出部１０ｂの周囲にシリコンラバー等の弾力性を有する補助部材を設けてもよい。
【００１７】
固定部材６は、上記の連結部材４により多段状態で保持された各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃの他の端部を固定するものであり、枠体３１と、この枠体３１内を３段に仕切るための仕切り部材３２ａ，３２ｂとを備えている。この固定部材６は、仕切り部材３２ａ，３２ｂで仕切られた収納空間３３ａ，３３ｂ，３３ｃに、各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃの端部を挿入するように配置することによって、多段状態で固定保持することができる。
上述のようなマイクロリアクター１では、連結部材４の原料導入口２３から導入された原料は、内部流路２６を通過して、導入連結部２２ａから１段目の単位流路部材２ａの導入口３ａに達する。そして、単位流路部材２ａの流路１５内で所望の原料混合が行われた後、排出口３ｂから段移行連結部２２ｂ、内部連通路２５ｂを経由して段移行連結部２２ｃから２段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂの導入口３ａに達する。そして、単位マイクロリアクター２ｂの触媒Ｃ１が担持された流路１５内を通過した後、排出口３ｂから段移行連結部２２ｄ、内部連通路２５ａを経由して段移行連結部２２ｅへ送られ、３段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｃの導入口３ａに達する。そして、単位マイクロリアクター２ｃの触媒Ｃ２が担持された流路１５内を通過した後、排出口３ｂから排出連結部２２ｆ、内部流路２７を通過してガス排出口２４に達する。
【００１８】
上述のマイクロリアクター１では、各単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃにそれぞれ発熱体１７が配設され、各単位流路部材間には空隙７が存在しているので、各単位流路部材間での熱の不要な伝導が防止され、単位マイクロリアクター２ｂ、２ｃにおいてそれぞれ最適な温度設定が可能とされている。
また、本発明では、例えば、図７に示されるように、発熱体１７を有する単位マイクロリアクターを２段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂのみとし、１段目の単位流路部材２ａ′と３段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｃ′は発熱体１７を備えないものであってもよい。そして、１段目の単位流路部材２ａ′と２段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂとの間には断熱用の空隙７を設け、２段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂと３段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｃ′との間には、断熱材８を介在させたものとしてもよい。断熱材８としては、例えば、ガラスウール、セラミックス基板等を使用することができる。
【００１９】
また、連結部材４の原料導入口２３とガス排出口２４との位置関係は、図示例のものに限定されず、例えば、内部流路２７を曲げて形成することにより、原料導入口２３とガス排出口２４とを同じ高さに配設してもよい。
上述のマイクロリアクター１は、３個の単位流路部材のうち、２個を単位マイクロリアクターとした３段構造であるが、本発明では、単位流路部材の個数は２個、あるいは４個以上であってもよく、また、単位流路部材のうち単位マイクロリアクターとする個数に特に制限はない。そして、単位流路部材の段数に応じて連結部材４の段移行連結部の数を設定する。すなわち、本発明では、ｎ（ｎは２以上の整数）個の単位流路部材を有する場合、連結部材の連結部のうち、相互に内部連通路で接続された段移行連結部を（ｎ−１）組み設けることができる。そして、１段目の単位流路部材は、導入口を導入連結部に、排出口を段移行連結部に、それぞれ連結保持し、２段目から（ｎ−１）段目の単位流路部材については、導入口を前段の段移行連結部と内部連通路で接続された段移行連結部に、排出口を別の組みの段移行連結部に、それぞれ連結保持し、ｎ段目の単位流路部材は、導入口を前段の段移行連結部と内部連通路で接続された段移行連結部に、排出口を排出連結部に、それぞれ連結保持することにより、本発明のマイクロリアクターを構成することができる。
【００２０】
ここで、上述のマイクロリアクター１を構成する各部材について説明する。
まず、単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃを構成する部材について説明する。接合体１０を構成する金属基板１１，１３は、陽極酸化により金属酸化膜（絶縁膜）１６を形成することができる金属を使用することができる。このような金属としては、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂｉ、Ｙ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ等を挙げることできる。これらの金属の中で、特にＡｌが加工適性や、熱容量、熱伝導率等の特性、単価の点から好ましく使用される。また、接合体１０を構成する金属基板１１，１３として、Ｃｕ、ステンレス、Ｆｅ、Ａｌ等のベーマイト処理により金属酸化膜１６の形成が可能な材料を使用することもできる。この場合、金属基板１１，１３の周囲に存在する金属酸化膜１６は、同様にベーマイト処理により形成してもよく、あるいは、絶縁材料を含有するペーストを用いたスクリーン印刷等の印刷法や、スパッタリング、真空蒸着等の真空成膜法によりポリイミド、セラミック（Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）等を形成してもよい。
【００２１】
金属基板１１，１３の厚みは、単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃ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１２，１４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、４００〜１０００μｍ程度の範囲で設定することができる。
金属基板１１，１３に形成される微細溝部１２，１４は、図示された形状に限定されるものではなく、微細溝部１２，１４内に担持する触媒の量が多くなり、かつ、原料が触媒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。微細溝部１２，１４の深さは、例えば、１００〜１０００μｍ程度の範囲内、幅は１００〜１０００μｍ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。
【００２２】
本実施形態では、流路１５の内壁面に金属酸化膜１６が形成されているので、微細孔を有する金属酸化膜の表面構造により、触媒Ｃ１、Ｃ２の担持量が増大するとともに、安定した触媒担持が可能となる。
触媒Ｃ１、Ｃ２としては、従来から水素製造に使用されている公知の触媒を使用することができる。例えば、１段目の単位流路部材２ａにて原料の混合、気化が行われ、２段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂが混合気体の改質、３段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｃが改質気体からの不純物除去を行う場合、触媒Ｃ１としてＣｕ−ＺｎＯ／Ａｌ2Ｏ3等、触媒Ｃ２としてＰｔ／Ａｌ2Ｏ3等を使用することができる。
発熱体１７は、各単位流路部材（単位マイクロリアクター）で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（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）等の材質を使用することができる。この発熱体１７は、例えば、幅１０〜２００μｍ程度の細線を、微細溝部が形成されている領域に相当する接合体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。
【００２３】
このような発熱体１７には、通電用の電極１８，１８が形成されている。通電用の電極１８，１８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る。
発熱体保護層１９は、上記の電極１８，１８の一部を露出させ、発熱体１７を覆うように配設されている。この発熱体保護層１９は、例えば、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１９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。
【００２４】
また、連結部材４の材質は、ステンレス、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ等とすることができ、機械加工および拡散接合やロウ付け等を用いて所望の構造体形状とすることができる。例えば、連結部材４をなす構造体２１を、図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように、５本の一点鎖線Ｌ1〜Ｌ5で分割した６個の部材からなるものとすることができる。そして、６個の部材において、予め一方の面に連結部２２、内部連通路２５ａ，２５ｂ、内部流路２６，２７等を構成するための溝部や貫通孔を形成する。そして、これらの６個の部材を所定の順に拡散接合して一体化することにより、連結部材４を形成することができる。
また、パッキン２８は、従来公知の種々の材質からなるＯリング、シリコンラバー等を用いることができる。
また、固定部材６の材質は、連結部材４と同様のものを挙げることができる。
【００２５】
尚、上述のマイクロリアクターの実施形態は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、単位流路部材２ａ，２ｂ，２ｃの構造は、触媒を担持することが可能な流路を内部に有し、この流路の一方の端部が導入口をなし、他方の端部が排出口をなすものであれば、特に制限はない。したがって、図８（Ａ）に示されるように、単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂとして、一方の面に微細溝部４３が形成された金属基板４２と、微細溝部４３を覆うように金属基板４２に接合された金属カバー部材４４と、周囲に金属酸化膜４６を備えた接合体４１を有するものでもよい。接合体４１の内部には、微細溝部４３と金属カバー部材４４とで構成された流路４５が形成されており、この流路４５の内壁面の全面に金属酸化膜４６を介して触媒Ｃ１が担持されている。また、図８（Ｂ）に示されるように、単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂとして、金属酸化膜５６を介して触媒Ｃ１が担持された微細溝部５３が一方の面に形成されている金属基板５２と、微細溝部５３を覆うように金属基板５２に接合された金属カバー部材５４からなる接合体５１を有するものでもよい。接合体５１の内部には、微細溝部５３と金属カバー部材５４とで構成された流路５５が形成されており、また、金属基板５２の周囲には金属酸化膜（絶縁膜）５６が形成されている。
【００２６】
次に、上述の接合体１０を備えた単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂを例に、図９を参照しながら作製方法について説明する。
図９において、金属基板１１の一方の面に微細溝部１２を形成し、金属基板１３の一方の面に微細溝部１４を形成する（図９（Ａ））。この微細溝部１２，１４は、金属基板１１，１３に所定の開口パターンを有するレジストを形成し、このレジストをマスクとしてウエットエッチングにより形成することができ、マイクロマシーンによる加工を不要とすることができる。
次に、金属基板１１，１３を、微細溝部１２と微細溝部１４とが対向するように接合して接合体１０を形成する（図９（Ｂ））。これにより、微細溝部１２と微細溝部１４が対向して流路１５が形成される。上記の金属基板１１，１３の接合は、例えば、拡散接合やロウ付け等により行うことができる。
【００２７】
次に、接合体１０を陽極酸化して、流路１５内壁面を含む全面に金属酸化膜（絶縁膜）１６を形成して単位流路部材２ｂとする（図９（Ｃ））。この金属酸化膜（絶縁膜）１６の形成は、接合体１０を外部電極の陽極に接続した状態で、陽極酸化溶液に浸漬して陰極と対向させ通電することにより行うことができる。尚、金属基板１１，１３として、陽極酸化が不可能でベーマイト処理が可能な金属材料を用いた場合には、ベーマイト処理により金属酸化膜１６を形成する。
次に、単位流路部材２ｂの流路１５の内壁面の全面に金属酸化膜（絶縁膜）１６を介して触媒Ｃ１を担持させて単位マイクロリアクター２ｂとする（図９（Ｄ））。金属酸化膜（絶縁膜）１６上への触媒Ｃ１の担持は、例えば、触媒懸濁液を接合体１０の流路１５内に流して充填し、あるいは、触媒懸濁液内に接合体１０を浸漬し、その後、触媒懸濁液を流路１５から抜いて乾燥することにより行うことができる。
【００２８】
尚、金属基板１１，１３に微細溝部１２，１４を形成した後、金属基板１１、１３に陽極酸化を施して金属酸化膜を形成し、次に、接合面となる面に存在する金属酸化膜を研磨除去した後、金属基板１１，１３を接合し、次いで、触媒Ｃ１を金属酸化膜に担持させてもよい。
【００２９】
次いで、金属基板１１側の金属酸化膜（絶縁膜）１６上に発熱体を設け、さらに、通電用の電極を形成し、発熱体保護層を発熱体上に形成して、単位マイクロリアクター２ｂを得ることができる。
発熱体の形成方法としては、上述の材料を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により形成する方法、上述の材料を含有するペーストを用いて塗布膜を形成し、その後、エッチング等によりパターニングする方法、上述の材料を用いて真空成膜法により薄膜を形成し、その後、エッチング等によりパターニングする方法等を挙げることができる。また、通電用の電極は、例えば、上述の導電材料を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により形成することができる。また、発熱体保護層は、例えば、上述の材料を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により所定のパターンで形成することができる。
【００３０】
上記のように、流路１５を備えた接合体１０が形成された後に触媒Ｃ１を担持させて単位マイクロリアクター２ｂとすることにより、接合工程における熱による触媒の失活のおそれがなく、触媒の選択幅が広くなる。また、金属酸化膜（絶縁膜）１６を形成工程まで完了させた複数の単位流路部材を準備しておくことにより、所望の触媒を担持させるだけで要求される機能を備えた単位マイクロリアクターとすることができる。
尚、上述の接合体４１を備えた単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂは、上記の作製例において、金属基板１３に代えて、金属カバー部材４４を金属基板１１に接合することにより、同様に作製することができる。
【００３１】
次に、上述の接合体５１を備えた単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂを例に、図１０を参照しながら作製方法について説明する。
図１０において、まず、金属基板５２の一方の面に微細溝部５３を形成する（図１０（Ａ））。この微細溝部５３の形成は、上記の微細溝部１２，１４の形成と同様に行うことができる。
次に、金属基板５２を陽極酸化して微細溝部５３内部を含む全面に金属酸化膜５６を形成する（図１０（Ｂ））。尚、金属基板５２として、陽極酸化が不可能でベーマイト処理が可能な金属材料を用いた場合には、ベーマイト処理により金属酸化膜５６を形成する。
次いで、微細溝部５３内に触媒Ｃ１を担持させる（図１０（Ｃ））。この触媒担持は、微細溝部５３が形成されている金属基板５２の面を所望の触媒懸濁液に浸漬し、乾燥することにより行うことができる。
【００３２】
次に、金属基板５２の微細溝部５３形成面側を研磨して、金属カバー部材５４との接合面となる面を露出させる（図１０（Ｄ））。その後、金属基板５２と金属カバー部材５４とを接合して接合体５１を形成する（図１０（Ｅ））。この接合により、接合体５１内には流路５５が形成される。
次いで、金属基板５２の金属酸化膜（絶縁膜）５６上に発熱体を設け、さらに、通電用の電極を形成し、発熱体保護層を発熱体上に形成して、単位流路部材（単位マイクロリアクター）２ｂを得ることができる。
【実施例】
【００３３】
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
［接合体の作製］
金属基板として厚み１０００μｍのＡｌ基板（２５０ｍｍ×２５０ｍｍ）を準備し、このＡｌ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、Ａｌ基板の微細溝部を形成する側のレジスト塗膜上に、幅１５００μｍのストライプ状の遮光部がピッチ２０００μｍで左右から交互に延びている（長さ３０ｍｍ）形状のフォトマスクを配した。次いで、この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、Ａｌ基板の一方の面には、幅５００μｍのストライプ状の開口部がピッチ２０００μｍ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した蛇行したパターンで、かつ、両端部が同一方向を向き、他のストライプ状の開口部よりも５ｍｍ長いようなレジストパターンが形成された。
【００３４】
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Ａｌ基板をエッチング（３分間）した。
（エッチング条件）
・温度  ：  ２０℃
・エッチング液（ＨＣｌ）濃度：  ２００ｇ／Ｌ
（３５％ＨＣｌを純水中に２００ｇ溶解して１Ｌとする）
上記のエッチング処理が終了した後、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。これにより、Ａｌ基板の一方の面に、幅１０００μｍ、深さ６５０μｍ、長さ３０ｍｍのストライプ形状の微細溝が２０００μｍ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４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３００ｍｍ）が形成された。
【００３５】
次いで、金属カバー部材として厚み１００μｍのＡｌ板を準備し、このＡｌ板を、上記のように微細溝部を形成したＡｌ基板に、微細溝部を覆うように下記の条件で拡散接合した。
（拡散接合条件）
・雰囲気    ：真空中
・接合温度  ：３００℃
・接合時間  ：８時間
これにより、図３に示されるような外形形状をもつ接合体を形成した。この接合体の寸法は、２５ｍｍ×３５ｍｍ、厚み１．４ｍｍであり、同一方向に２つの突出部（長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ）を１５ｍｍの距離を隔てて有し、この突出部の先端には流路の導入口と排出口とが位置するものであった。
【００３６】
このような接合体を３個作製し、各接合体を外部電極の陽極に接続し、陽極酸化溶液（４％シュウ酸溶液）に浸漬して陰極と対向させ、下記の条件で通電することにより、流路内部を含む接合体表面に酸化アルミニウム薄膜（絶縁膜）を形成した単位流路部材とした。尚、形成した酸化アルミニウム薄膜の厚みをエリプソメーターで測定した結果、約３０μｍであった。
（陽極酸化の条件）
・浴温      ：  ２５℃
・電圧      ：  ２５Ｖ（ＤＣ）
・電流密度  ：  １００Ａ／ｍ2
【００３７】
［１段目用の単位流路部材］
１個の単位流路部材の酸化アルミニウム薄膜上に下記組成の発熱体用ペーストをスクリーン印刷により印刷し、２００℃で硬化させて発熱体を形成した。形成した発熱体は、幅１００μｍの細線を、微細溝部が形成されている領域に相当する領域（３５ｍｍ×２５ｍｍ）全面を覆うようにＡｌ基板上に線間隔１００μｍで引き回したような形状とした。
（発熱体用ペーストの組成）
・カーボン粉末                              …    ２０重量部
・微粉末シリカ                              …    ２５重量部
・キシレンフェノール樹脂                    …    ３６重量部
・ブチルカルビトール                        …    １９重量部
【００３８】
また、下記組成の電極用ペーストを用いて、スクリーン印刷により発熱体の所定の２ヶ所に、接合体の側面に達するように電極を形成した。
（電極用ペーストの組成）
・銀めっき銅粉末                            …    ９０重量部
・フェノール樹脂                            …  ６．５重量部
・ブチルカルビトール                        …  ３．５重量部
【００３９】
次に、発熱体上に形成された２個の電極の端部を露出するように、下記組成の保護層用ペーストを用いて、スクリーン印刷により発熱体保護層（厚み２０μｍ）を発熱体上に形成した。
（保護層用ペーストの組成）
・樹脂分濃度                                …    ３０重量部
・シリカフィラー                            …    １０重量部
・ラクトン系溶剤（ペンタ１−４−ラクトン）  …    ６０重量部
これにより、１段目の単位流路部材とした。
【００４０】
［２段目用の単位流路部材（単位マイクロリアクター）］
別の単位流路部材の流路内に下記組成の触媒懸濁液を充填して放置（１５分間）し、その後、触媒懸濁液を抜き、１２０℃、３時間の乾燥還元処理を施して、流路内全面に触媒Ｃ１を担持させた。
（触媒懸濁液の組成）
・Ａｌ                                    …    ４１．２重量％
・Ｃｕ                                    …      ２．６重量％
・Ｚｎ                                    …      ２．８重量％
次いで、Ａｌ基板の酸化アルミニウム薄膜上に、上記の１段目の単位流路部材と同様に、発熱体、電極、発熱体保護層を形成して、２段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）を作製した。
【００４１】
［３段目用の単位流路部材（単位マイクロリアクター）］
別の単位流路部材の流路内に下記組成の触媒懸濁液を充填して放置（１５分間）し、その後、触媒懸濁液を抜き、１２０℃、３時間の乾燥還元処理を施して、流路内全面に触媒Ｃ２を担持させた。
（触媒懸濁液の組成）
・Ｐｔ                                    …      ０．４重量％
・Ｆｅ                                    …      ０．２重量％
・モルデナイト（Na8(Al8Si40O96)・24H2O）    …      ９．４重量％
次いで、Ａｌ基板の酸化アルミニウム薄膜上に、上記の１段目の単位流路部材と同様に、発熱体、電極、発熱体保護層を形成して、３段目の単位流路部材（単位マイクロリアクター）を作製した。
【００４２】
［連結部材の作製］
平坦面（３０ｍｍ×２０ｍｍ）を有するステンレス板材を６個準備し、各ステンレス基板の一方の平坦面に連結部、内部連通路、内部流路等を構成するための所定の溝部や貫通孔を機械加工により形成した。これら６個のステンレス基板を所定の積層順序で拡散接合して一体化することにより、３０ｍｍ×２０ｍｍ×１２ｍｍの連結部材を作製した。この連結部材は、３０ｍｍ×１２ｍｍの面に６個の連結部（幅５．１ｍｍ、高さ１．４１ｍｍ、深さ５ｍｍ）を有し、その反対面に原料導入口とガス排出口とを有し、内部に内部連通路と内部流路を備えた、図５、図６に示されるような構造（構造体の外形は長方体であり図５、図６とは異なる）であった。この連結部材では、１列に配列された各３個の連結部のピッチ（単位流路部材の多段ピッチに相当）は２ｍｍであり、各配列の距離（単位流路部材の導入口と排出口の距離に相当）は２０ｍｍであった。尚、各連結部にはシリコンラバー製のパッキンを装着した。
【００４３】
［固定部材の作製］
ステンレス材を用いて、間口が２５ｍｍ×１．４１ｍｍである収納空間を、２ｍｍピッチで３段備えた固定部材を作製した。
［マイクロリアクターの作製］
上述のように作製した連結部材に、１段目用から３段目用の順となるように各単位流路部材（２段目、３段目は単位マイクロリアクター）の突出部を挿入して連結し、また、固定部材により各単位流路部材の連結端部と反対側の端部を固定した。
これにより、本発明のマイクロリアクターを得ることができた。
【００４４】
実施例２
［接合体の作製］
まず、実施例１の［接合体の作製］と同様にして、幅１０００μｍ、深さ６５０μｍ、長さ３０ｍｍのストライプ形状の微細溝が２０００μｍのピッチで形成されたＡｌ基板を作製した。
次に、このＡｌ基板を外部電極の陽極に接続し、実施例１と同じ条件で陽極酸化を施して、微細溝部を含むＡｌ基板表面に酸化アルミニウム薄膜（絶縁膜）を形成した。次いで、微細溝部が形成されている面をアルミナ粉で研磨して酸化アルミニウム薄膜を除去し、Ａｌ基板面（接合面）を露出させた。
【００４５】
次いで、金属カバー部材として厚み１００μｍのＡｌ板を準備し、このＡｌ板を、上記のように微細溝部を形成したＡｌ基板に、微細溝部を覆うように、実施例１と同じ条件でロウ付けにより接合した。これにより、図３に示されるような外形形状をもつ接合体を３個作製し、単位流路部材とした。この接合体の寸法は、２５ｍｍ×３５ｍｍ、厚み１．４ｍｍであり、同一方向に２つの突出部（長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ）を１５ｍｍの距離を隔てて有し、この突出部の先端には流路の導入口と排出口とが位置するものであった。
上記の３個の単位流路部材を用いて、実施例１と同様に、１段面用の単位流路部材、２段面用の単位流路部材、３段面用の単位流路部材を作製し、本発明のマイクロリアクターを作製した。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、メタノールの改質、一酸化炭素の酸化等の反応からなる水素製造の用途に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【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構成部材を離間させた状態を示す斜視図である。
【図４】本発明のマイクロリアクターを構成する単位流路部材内の流路の例を説明するための斜視図である。
【図５】連結部材の連結部が形成された面を示す図である。
【図６】図５に示される連結部材の断面図であって、（Ａ）はII−II線における断面図、（Ｂ）はIII−III線における断面図である。
【図７】本発明のマイクロリアクターの他の例を説明するための図２相当の縦断面図である。
【図８】本発明のマイクロリアクターを構成する単位流路部材（単位マイクロリアクター）の他の例を示す縦断面図である。
【図９】単位マイクロリアクターの作製方法の一例を示す工程図である。
【図１０】単位マイクロリアクターの作製方法の他の例を示す工程図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…マイクロリアクター
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ａ′，２ｃ′…単位流路部材
２ｂ，２ｃ，２ｃ′…単位マイクロリアクター
３ａ…導入口
３ｂ…排出口
４…連結部材
６…固定部材
７…空隙
８…断熱材
１０，４１，５１…接合体
１０ａ，１０ｂ…突出部
１１，１３，４２，５２…金属基板
１２，１４，４３，５３…微細溝部
１５，４５，５５…流路
１６，４６，５６…金属酸化膜（絶縁膜）
１７…発熱体
１８…電極
１９…発熱体保護層
２１…構造体
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…ブロック体
２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ）…連結部
２２ａ…導入連結部
２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ…段移行連結部
２２ｆ…排出連結部
２３…原料導入口
２４…ガス排出口
２５ａ，２５ｂ…内部連通路
２６，２７…内部流路
３１…枠体
４１，５１…接合体
４２，５２…金属基板
４３，５３…微細溝部
４４，５４…金属カバー部材
４５，５５…流路
４６，５６…金属酸化膜（絶縁膜）
Ｃ１、Ｃ２…触媒
【図１】
2005132712.tif 000003
【図２】
2005132712.tif 000004
【図３】
2005132712.tif 000005
【図４】
2005132712.tif 000006
【図５】
2005132712.tif 000007
【図６】
2005132712.tif 000008
【図７】
2005132712.tif 000009
【図８】
2005132712.tif 000010
【図９】
2005132712.tif 000011
【図１０】
2005132712.tif 000012