(57)【要約】【課題】小型で高効率の水素製造用改質器を可能とするマイクロリアクターと、このマイクロリアクターを簡便に製造することが可能な製造方法を提供する。【解決手段】マイクロリアクターの構成を、触媒を担持した微細溝部を一方の面に備えた複数の金属基板が微細溝部形成面が同一方向となるように多段に積み重ねられ、各段の金属基板の微細溝部を連絡するための貫通孔が各金属基板に備えられ、少なくとも１個の金属基板が微細溝部が形成されていない面に絶縁膜を介して発熱体を備え、多段の最外部に位置して微細溝部が露出している金属基板にガス排出口を有するカバー部材が接合されたものとする。【選択図】  図３
2005047794.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、
触媒を担持した微細溝部を一方の面に備えた複数の金属基板を、前記微細溝部形成面が同一方向となるように多段に積み重ね、各段の金属基板の前記微細溝部を連絡するための貫通孔を各金属基板に備え、少なくとも１個の金属基板は前記微細溝部が形成されていない面に絶縁膜を介して設けられた発熱体を備え、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板にガス排出口を有するカバー部材を接合して備えることを特徴とするマイクロリアクター。
【請求項２】
前記金属基板はＡｌ基板、Ｃｕ基板、ステンレス基板のいずれか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。
【請求項３】
前記絶縁膜は前記金属基板を陽極酸化して形成した金属酸化膜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。
【請求項４】
前記微細溝部内にも前記金属酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロリアクター。
【請求項５】
前記金属基板はＡｌ基板であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のマイクロリアクター。
【請求項６】
前記発熱体は多段の最外部に位置する金属基板に設けられており、前記発熱体の電極および該金属基板の貫通孔の開口を露出させて前記発熱体を覆うように発熱体保護層を備え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】
前記金属基板が２個からなる２段積み重ね構造であり、１段目では原料の混合と、混合された原料の気化と、混合気体の改質が行われ、２段目では改質された気体からの不純物の除去が行われ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】
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の製造方法において、
複数の金属基板の一方の面に微細溝部と該微細溝部の所定位置に開口をもつ貫通孔を形成する工程と、
前記金属基板を陽極酸化して金属酸化膜からなる絶縁膜を形成する工程と、
少なくとも１個の前記金属基板の前記微細溝部が形成されていない面の前記金属酸化膜上に発熱体を設ける工程と、
複数の前記金属基板の微細溝部内に触媒を担持する工程と、
前記複数の金属基板を多段に積み重ねる際に接合される部位の前記金属酸化膜を除去する工程と、
前記複数の金属基板を、各金属基板の微細溝部が前記貫通孔を介して連絡されるように多段に積み重ねて接合し、かつ、ガス排出口が形成されたカバー部材を、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板に接合する工程と、を有することを特徴とするマイクロリアクターの製造方法。
【請求項９】
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の製造方法において、
複数の金属基板の一方の面に微細溝部と該微細溝部の所定位置に開口をもつ貫通孔を形成する工程と、
前記微細溝部が形成されていない前記金属基板面上に絶縁膜を設ける工程と、
少なくとも１個の前記金属基板の前記絶縁膜上に発熱体を設ける工程と、
複数の前記金属基板の微細溝部内に触媒を担持する工程と、
前記複数の金属基板を、各金属基板の微細溝部が前記貫通孔を介して連絡されるように多段に積み重ねて接合し、かつ、ガス排出口が形成されたカバー部材を、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板に接合する工程と、を有することを特徴とするマイクロリアクターの製造方法。
【請求項１０】
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の製造方法において、
複数の金属基板の一方の面に微細溝部と該微細溝部の所定位置に開口をもつ貫通孔を形成する工程と、
前記金属基板を陽極酸化して金属酸化膜からなる絶縁膜を形成する工程と、
複数の前記金属基板の微細溝部内に触媒を担持する工程と、
前記複数の金属基板を多段に積み重ねる際に接合される部位の前記金属酸化膜を除去する工程と、
前記複数の金属基板を、各金属基板の微細溝部が前記貫通孔を介して連絡されるように多段に積み重ねて接合し、かつ、ガス排出口が形成されたカバー部材を、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板に接合する工程と、
多段の最外部に位置する少なくとも一方の前記金属酸化膜上に発熱体を設ける工程と、を有することを特徴とするマイクロリアクターの製造方法。
【請求項１１】
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の製造方法において、
複数の金属基板の一方の面に微細溝部と該微細溝部の所定位置に開口をもつ貫通孔を形成する工程と、
複数の前記金属基板の微細溝部内に触媒を担持する工程と、
前記複数の金属基板を、各金属基板の微細溝部が前記貫通孔を介して連絡されるように多段に積み重ねて接合し、かつ、ガス排出口が形成されたカバー部材を、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板に接合する工程と、
多段の最外部に位置する少なくとも一方の前記金属基板面上に絶縁膜を設け、該絶縁膜上に発熱体を設ける工程と、を有することを特徴とするマイクロリアクターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造用改質器に使用するマイクロリアクター、特にメタノール等の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と、このマイクロリアクターの製造方法に関する。
【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。
【０００３】
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。
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は、熱の利用効率が悪く、停止状態から始動したときの改質器の立ち上がり速度が遅いという問題があった。また、マイクロマシーンによる加工等を必要とし、製造コストが高いという問題もあった。さらに、携帯機器用の燃料電池では、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く、更なる小型化が強く要望されている。
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、小型で高効率の水素製造用改質器を可能とするマイクロリアクターと、このマイクロリアクターを簡便に製造することが可能な製造方法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、触媒を担持した微細溝部を一方の面に備えた複数の金属基板を、前記微細溝部形成面が同一方向となるように多段に積み重ね、各段の金属基板の前記微細溝部を連絡するための貫通孔を各金属基板に備え、少なくとも１個の金属基板は前記微細溝部が形成されていない面に絶縁膜を介して設けられた発熱体を備え、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板にガス排出口を有するカバー部材を接合して備えるような構成とした。
【０００６】
本発明の他の態様として、前記金属基板はＡｌ基板、Ｃｕ基板、ステンレス基板のいずれかであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記絶縁膜は前記金属基板を陽極酸化して形成した金属酸化膜であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記微細溝部内にも前記金属酸化膜が形成されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基板はＡｌ基板であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記発熱体は多段の最外部に位置する金属基板に設けられており、前記発熱体の電極および該金属基板の貫通孔の開口を露出させて前記発熱体を覆うように発熱体保護層を備えるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基板が２個からなる２段積み重ね構造であり、１段目では原料の混合と、混合された原料の気化と、混合気体の改質が行われ、２段目では改質された気体からの不純物の除去が行われるような構成とした。
【０００７】
また、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の製造方法において、複数の金属基板の一方の面に微細溝部と該微細溝部の所定位置に開口をもつ貫通孔を形成する工程と、前記金属基板を陽極酸化して金属酸化膜からなる絶縁膜を形成する工程と、少なくとも１個の前記金属基板の前記微細溝部が形成されていない面の前記金属酸化膜上に発熱体を設ける工程と、複数の前記金属基板の微細溝部内に触媒を担持する工程と、前記複数の金属基板を多段に積み重ねる際に接合される部位の前記金属酸化膜を除去する工程と、前記複数の金属基板を、各金属基板の微細溝部が前記貫通孔を介して連絡されるように多段に積み重ねて接合し、かつ、ガス排出口が形成されたカバー部材を、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板に接合する工程と、を有するような構成とした。
【０００８】
さらに、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の製造方法において、複数の金属基板の一方の面に微細溝部と該微細溝部の所定位置に開口をもつ貫通孔を形成する工程と、前記微細溝部が形成されていない前記金属基板面上に絶縁膜を設ける工程と、少なくとも１個の前記金属基板の前記絶縁膜上に発熱体を設ける工程と、複数の前記金属基板の微細溝部内に触媒を担持する工程と、前記複数の金属基板を、各金属基板の微細溝部が前記貫通孔を介して連絡されるように多段に積み重ねて接合し、かつ、ガス排出口が形成されたカバー部材を、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板に接合する工程と、を有するような構成とした。
【０００９】
また、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の製造方法において、複数の金属基板の一方の面に微細溝部と該微細溝部の所定位置に開口をもつ貫通孔を形成する工程と、前記金属基板を陽極酸化して金属酸化膜からなる絶縁膜を形成する工程と、複数の前記金属基板の微細溝部内に触媒を担持する工程と、前記複数の金属基板を多段に積み重ねる際に接合される部位の前記金属酸化膜を除去する工程と、前記複数の金属基板を、各金属基板の微細溝部が前記貫通孔を介して連絡されるように多段に積み重ねて接合し、かつ、ガス排出口が形成されたカバー部材を、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板に接合する工程と、多段の最外部に位置する少なくとも一方の前記金属酸化膜上に発熱体を設ける工程と、を有するような構成とした。
【００１０】
また、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の製造方法において、複数の金属基板の一方の面に微細溝部と該微細溝部の所定位置に開口をもつ貫通孔を形成する工程と、複数の前記金属基板の微細溝部内に触媒を担持する工程と、前記複数の金属基板を、各金属基板の微細溝部が前記貫通孔を介して連絡されるように多段に積み重ねて接合し、かつ、ガス排出口が形成されたカバー部材を、多段の最外部に位置し前記微細溝部が露出している前記金属基板に接合する工程と、多段の最外部に位置する少なくとも一方の前記金属基板面上に絶縁膜を設け、該絶縁膜上に発熱体を設ける工程と、を有するような構成とした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、多段に積み重ねた各金属基板の触媒を担持した微細溝部で、原料の混合、気化、混合気体の改質、不純物除去を行うことができ、カバー部材のガス排出口から高純度の水素ガスを得ることができるため、複数のマイクロリアクターを接続管で接続する場合に比べて、スペース効率の高い水素製造用改質器が可能となる。また、マイクロリアクターを構成する金属基板が、シリコン基板やセラミックス基板に比べて、熱伝導率が高く熱容量が小さいので、発熱体から担持触媒へ高効率で熱が伝達され、停止状態から始動したときの立ち上がり速度が速く、かつ、発熱体への投入電力の利用効率の高い水素製造用改質器が可能となる。さらに、金属基板への微細溝部の形成は、マイクロマシーンによる加工を必要とせず、エッチング加工等の安価な加工方法により容易に行えるので、マイクロリアクターの製造コスト低減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
マイクロリアクター
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II−II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III−III線における拡大縦断面図でる。
【００１３】
図１乃至図３において、本発明のマイクロリアクター１は、金属基板２と金属基板１２とが接合された２段構造である。１段目の金属基板２は、一方の面２ａに形成された微細溝部３と、この微細溝部３の所定箇所に開口をもつ貫通孔９と、この貫通孔９内部と微細溝部３内部および金属基板２の他方の面２ｂと側面２ｃに形成された金属酸化膜からなる絶縁膜４と、金属基板２の表面２ｂ上に絶縁膜４を介して設けられた発熱体５と、微細溝部３内に担持された触媒Ｃ１と、を備えている。また、発熱体５には電極６，６が形成され、この電極６，６が露出するような電極開口部７ａ，７ａと、上記の貫通孔９の開口が露出するような開口部７ｂを有する発熱体保護層７が、発熱体５を覆うように設けられている。
一方、２段目の金属基板１２は一方の面１２ａに形成された微細溝部１３と、この微細溝部１３の所定箇所に開口をもつ貫通孔１９と、この貫通孔１９内部と微細溝部１３内部および金属基板１２の側面１２ｃに形成された金属酸化膜からなる絶縁膜１４と、微細溝部１３内に担持された触媒Ｃ２と、微細溝部１３を覆うように面１２ａに接合されたカバー部材１８を備えている。このカバー部材１８には、ガス排出口１８ａが設けられている。
【００１４】
図４は、図１に示されるマイクロリアクター１において、発熱体保護層７を剥離した状態を示す斜視図である。図４に示されるように、発熱体５は金属基板２の表面２ｂ上に絶縁層４を介して設けられている。そして、発熱体保護層７の開口部７ｂが原料導入口となる。尚、貫通孔９を囲むように発熱体５を設けてもよい。
【００１５】
図５は、図１に示されるマイクロリアクター１を構成する１段目の金属基板２の微細溝部３形成面側を示す斜視図である。図５に示されるように、微細溝部３は櫛状のリブ２Ａ，２Ｂを残すように形成され、端部３ａから端部３ｂまで連続する形状である。そして、微細溝部３に端部３ａには、貫通孔９の開口が露出している。
【００１６】
また、図６は、図１に示されるマイクロリアクター１を構成する２段目の金属基板１２の微細溝部１３形成面側を示す斜視図である。図６に示されるように、微細溝部１３は櫛状のリブ１２Ａ，１２Ｂを残すように形成され、端部１３ａから端部１３ｂまで連続する形状である。そして、微細溝部１３の端部１３ａには、貫通孔１９の開口が露出しており、この貫通孔１９の他方の開口は、２段積層構造において上記の金属基板２の微細溝部３の端部３ｂに位置している。また、マイクロリアクター１では、カバー部材１８のガス排出口１８ａが微細溝部１３の端部１３ｂに位置している。これにより、図３に矢印ａで示されるように、原料導入口である発熱体保護層７の開口部７ｂから１段目の金属基板２の貫通孔９を経由して端部３ａから微細溝部３を流れ、端部３ｂから２段目の金属基板１２の貫通孔１９を経由して端部１３ａから微細溝部１３を流れ、端部１３ｂからガス排出口１８ａを通過して外部に至るまでの連続した流路が構成される。
【００１７】
本発明のマイクロリアクター１を構成する金属基板２，１２は、陽極酸化により金属酸化膜（絶縁膜４，１４）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。金属基板２，１２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３，１３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、５０〜２０００μｍ程度の範囲で設定することができる。
【００１８】
このような金属基板２，１２への陽極酸化による金属酸化膜（絶縁膜４，１４）の形成は、金属基板２，１２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。金属酸化膜（絶縁膜４，１４）の厚みは、例えば、５〜１５０μｍ程度の範囲で設定することができる。
金属基板２，１２に形成される微細溝部３，１３は、図５、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３，１３内に担持する触媒Ｃ１、Ｃ２の量が多くなり、かつ、原料が触媒Ｃ１、Ｃ２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。通常、微細溝部３，１３の深さは５０〜１０００μｍ程度の範囲内、幅は５０〜１０００μｍ程度の範囲内で設定することができ、流路長は３０〜４００ｍｍ程度の範囲とすることができる。
【００１９】
本発明では、微細溝部３，１３内部にも金属酸化膜からなる絶縁膜４，１４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、従来から水蒸気改質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段目の金属基板２の微細孔部３において原料の混合と、混合された原料の気化、および、混合気体の改質を行い、２段目の金属基板１２の微細孔部１３において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。
【００２０】
本発明のマイクロリアクター１を構成する発熱体５は、吸熱反応である原料の水蒸気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（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５は、例えば、幅１０〜２００μｍ程度の細線を、微細溝部３が形成されている領域に相当する金属基板面２ｂ（絶縁膜４）上の領域全面であって、貫通孔９を塞がないように引き回した形状とすることができる。尚、本実施形態のように発熱体を１つの金属基板のみに設ける場合、混合気体の改質を行う金属基板に設けることが好ましい。
このような発熱体５には、通電用の電極６，６が形成されている。通電用の電極６，６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。
【００２１】
発熱体保護層７は、上記の電極６，６を露出させるための電極開口部７ａ，７ａと、上記の貫通孔９の開口を露出させるための開口部７ｂを有し、発熱体５を覆うように配設されている。この発熱体保護層７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７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。
本発明のマイクロリアクター１を構成するカバー部材１８は、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、ステンレス材料等を使用することができる。また、カバー部材１８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、例えば、２０〜４００μｍ程度の範囲で設定することができる。カバー部材１８が備えるガス排出口１８ａは、金属基板１２に形成された微細溝部１３の流路の端部１３ｂに位置するように設けられている。
【００２２】
図７は、本発明のマイクロリアクターの他の実施形態を示す図２相当の縦断面図である。図７において、本発明のマイクロリアクター１′は、金属基板２′と金属基板１２′とが接合された２段構造であり、１段目の金属基板２′は、一方の面２′ａに形成された微細溝部３と、この微細溝部３の所定箇所に開口をもつ貫通孔９（図示せず）と、金属基板２′の他の面２′ｂに形成された絶縁膜４′と、金属基板２′の表面２′ｂ上に絶縁膜４′を介して設けられた発熱体５と、微細溝部３内に担持された触媒Ｃ１と、を備えている。また、発熱体５には電極６，６が形成され、この電極６，６が露出するような電極開口部７ａ，７ａと、上記の貫通孔９の開口が露出するような開口部７ｂ（図示せず）を有する発熱体保護層７が、発熱体５を覆うように設けられている。
【００２３】
一方、２段目の金属基板１２′は一方の面１２′ａに形成された微細溝部１３と、この微細溝部１３の所定箇所に開口をもつ貫通孔１９（図示せず）と、微細溝部１３内に担持された触媒Ｃ２と、微細溝部１３を覆うように面１２′ａに接合されたカバー部材１８を備えている。カバー部材１８には、ガス排出口１８ａが設けられている。
このようなマイクロリアクター１′は、金属部材２′，１２′、絶縁層４′，１４′が異なる点、および、微細溝部３，１３内、貫通孔９，１９内に金属酸化膜（絶縁層４，１４）が形成されていない点を除いて、上述のマイクロリアクター１と同様であり、同じ構成部材には同じ部材番号を付し、説明は省略する。
【００２４】
本発明のマイクロリアクター１′を構成する金属基板２′，１２′は、Ａｌ基板、Ｃｕ基板、ステンレス基板等のいずれかを使用することができる。また、金属基板２′，１２′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３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、５０〜２０００μｍ程度の範囲で設定することができる。
金属基板２′の面２′ｂに形成された絶縁膜４′は、例えば、ポリイミド、セラミック（Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）等により形成されたものとすることができる。このような絶縁膜４′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、１〜３０μｍ程度の範囲で設定することができる。
【００２５】
上述のような本発明のマイクロリアクター１，１′は、２段に積み重ねた各金属基板２，１２や２′１２′の触媒を担持した微細溝部３，１３で、原料の混合、気化、混合気体の改質、不純物除去の一連の操作を行うことができ、カバー部材１８のガス排出口１８ａから高純度の水素ガスを得ることができる。このため、複数のマイクロリアクターを接続管で接続する場合に比べて、スペース効率が大幅に向上する。また、金属基板２，２′，１２，１２′を使用しており、これらはシリコン基板やセラミックス基板に比べて、熱伝導率が高く熱容量が小さいので、発熱体５から担持触媒Ｃ１、Ｃ２へ高効率で熱が伝達され、停止状態から始動したときの立ち上がりが速く、かつ、発熱体への投入電力の利用効率の高い水素製造用改質器が可能となる。
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、３段以上の多段構造としてもよく、この場合、発熱体は少なくとも混合気体の改質を行う金属基板に設けることが好ましい。
【００２６】
マイクロリアクターの製造方法
図８乃至図１２は、上述のマイクロリアクター１を例とした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。尚、各図は図２、図３に相当する位置での断面形状で示している。
本発明の製造方法では、まず、金属基板２の一方の面２ａに微細溝部３を形成するとともに、貫通孔９を形成する（図８（Ａ）、図８（Ｂ））。この微細溝部３は、金属基板２の面２ａに微細溝部３に対応した所定の開口パターンを有するレジストを形成し、金属基板２の面２ｂに貫通孔９を形成するための開口パターンを有するレジストを形成する。そして、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櫛状のリブ２Ａ，２Ｂを残すように面２ａ側から金属基板２をハーフエッチングして微細溝部３を形成し、同時に両面エッチングによって貫通孔９を形成することができる。したがって、マイクロマシーンによる加工は不要となる。使用する金属基板２の材質は、次の陽極酸化工程で陽極酸化が可能なＡｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂｉ、Ｙ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ等を挙げることできる。
【００２７】
次に、微細溝部３と貫通孔９を形成した金属基板２を陽極酸化して、微細溝部３内部と貫通孔９内部を含む全面に金属酸化膜（絶縁膜４）を形成する（図８（Ｃ）、図８（Ｄ））。この金属酸化膜（絶縁膜４）の形成は、金属基板２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。
【００２８】
次いで、微細溝部３が形成されていない金属基板２の面２ｂの金属酸化膜（絶縁膜４）上に、貫通孔９を塞がないように発熱体５を設け、さらに、通電用の電極６，６を形成する（図９（Ａ）、図９（Ｂ））。発熱体５は、カーボンペースト、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金）、Ｗ、Ｍｏ等の材質を使用して形成することができる。発熱体５の形成方法としては、上記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、上記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、上記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６，６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、例えば、上記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。
【００２９】
次に、電極６，６と貫通孔９が露出するように発熱体保護層７を発熱体５上に形成する（図９（Ｃ）、図９（Ｄ））。発熱体保護層７は、ポリイミド、セラミック（Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）等の材料を用いて形成することができ、例えば、上記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電極開口部７ａ，７ａと開口部７ｂを有するパターンで形成することができる。
次いで、微細溝部３内に触媒Ｃ１を担持させる（図１０（Ａ）、図１０（Ｂ））。この触媒担持は、金属基板２の微細溝部３が形成されている面２ａを、所望の触媒溶液内に浸漬して行うことができる。
次に、金属基板２を研磨して、金属基板１２との接合面となる金属基板２の面２ａを露出させる（図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ））。
【００３０】
一方、上記の金属基板２と同様に、金属基板１２の一方の面１２ａに微細溝部１３を形成するとともに、貫通孔１９を形成する（図１１（Ａ）、図１１（Ｂ））。次いで、微細溝部１３と貫通孔１９を形成した金属基板１２を陽極酸化して、微細溝部１３内部と貫通孔１９内部を含む全面に金属酸化膜（絶縁膜１４）を形成する（図１１（Ｃ）、図１１（Ｄ））。
次いで、微細溝部１３内に触媒Ｃ２を担持させる（図１２（Ａ）、図１２（Ｂ））。この触媒担持は、金属基板１２の微細溝部１３が形成されている面１２ａを、所望の触媒溶液内に浸漬して行うことができる。
次に、金属基板１２の両面を研磨して、カバー部材１８との接合面となる金属基板１２の面１２ａと、金属基板２との接合面となる金属基板１２の面１２ｂを露出させる（図１２（Ｃ）、図１２（Ｄ））。
【００３１】
次いで、上述の金属基板２の面２ａと金属基板１２の面１２ｂとを接合し、さらに、カバー部材１８を金属基板面１２ａに接合して本発明のマイクロリアクター１を得ることができる。カバー部材１８は、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、ステンレス材料等を使用することができる。金属基板２と金属基板１２の接合、および、金属基板１２とカバー部材１８との接合は、例えば、拡散接合等により行うことができる。尚、この接合の際、金属基板１２の貫通孔１９が金属基板２に形成された微細溝部３の流路の端部３ｂに一致し、カバー部材１８に設けられているガス排出口１８ａが、金属基板１２に形成された微細溝部１３の流路の端部１３ｂに一致するように位置合わせをする。
【００３２】
また、本発明の製造方法では、次のような工程としてもよい。まず、上述の金属基板２、金属基板１２、カバー部材１８の接合を行なう。その後、金属基板２の面２ｂ上の金属酸化膜（絶縁膜）４に、発熱体５、電極６，６、発熱体保護層７を形成してもよい。
【００３３】
図１３および図１４は、上述のマイクロリアクター１′を例とした本発明のマイクロリアクター製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。
図１３および図１４において、本発明の製造方法では、まず、金属基板２′の一方の面２′ａに微細溝部３と貫通孔９（図示せず）を形成する（図１３（Ａ））。金属基板２′は、Ａｌ基板、ＣＵ基板、ステンレス基板等のいずれかを使用することができる。この微細溝部３と貫通孔９の形成は、上述の金属基板２への微細溝部３と貫通孔９の形成と同様にして行うことができる。
【００３４】
次に、微細溝部３が形成されていない金属基板２′の面２′ｂ上に、貫通孔９（図示せず）を塞がないように絶縁膜４′を形成する（図１３（Ｂ））。この絶縁膜４′は、例えば、ポリイミド、セラミック（Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）等を用いて形成することができる。絶縁膜４′の形成は、例えば、上記の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により、あるいは、上記絶縁材料を用いたスパッタリング、真空蒸着等の真空成膜法により薄膜を形成し、硬化させることにより行うことができる。
次いで、絶縁膜４′上に発熱体５を設け、さらに、通電用の電極６，６を形成する（図１３（Ｃ））。このような発熱体５、電極６，６の形成は、上述のマイクロリアクター１の製造方法と同様に行うことができる。
【００３５】
次に、電極６，６と貫通孔９（図示せず）が露出するように発熱体保護層７を発熱体５上に形成する（図１３（Ｄ））。この発熱体保護層７の形成は、上述のマイクロリアクター１の製造方法と同様に行うことができる。
次いで、微細溝部３内に触媒Ｃ１を担持させる（図１４（Ａ））。この触媒担持は、金属基板２′の微細溝部３が形成されている面２′ａを、所望の触媒溶液内に浸漬して行うことができる。
次に、金属基板２′を研磨して、金属基板１２′と接合される金属基板面２′ａを露出させる（図１４（Ｂ））。
【００３６】
一方、上記の金属基板２′と同様に、金属基板１２′の一方の面１２′ａに微細溝部１３を形成するとともに、貫通孔１９（図示せず）を形成し、次いで、微細溝部１３内に触媒Ｃ２を担持させ、金属基板１２′を研磨して、カバー部材１８との接合面となる金属基板１２′の面１２′ａと、金属基板２′との接合面となる金属基板１２′の面１２′ｂを露出させる（図１４（Ｃ））。
次いで、上述の金属基板２′の面２′ａと金属基板１２′の面１２′ｂとを接合し、さらに、カバー部材１８を金属基板面１２′ａに接合して本発明のマイクロリアクター１′を得ることができる（図１４（Ｄ））。この金属基板２′と金属基板１２′との接合、および、金属基板１２′とカバー部材１８との接合は、上述のマイクロリアクター１の製造方法と同様に行うことができる。
【００３７】
このような本発明のマイクロリアクター製造方法では、金属基板を使用するので、微細溝部の形成でマイクロマシーン加工を行う必要がなく、エッチング加工等の安価な加工方法により容易に行うことができ、マイクロリアクターの製造コスト低減が可能となる。
【００３８】
また、本発明の製造方法では、絶縁膜４′上への発熱体５、電極６，６、発熱体保護層７の形成を、金属基板２′と金属基板１２′とカバー部材１８の接合後に行ってもよい。
尚、上述のマイクロリアクター製造方法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。
【実施例】
【００３９】
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
［１段目の金属基板の作製］
基材として厚み１０００μｍのステンレス基板（ＳＵＳ３０４、２５０ｍｍ×２５０ｍｍ）を準備し、このステンレス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、ステンレス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で左右から交互に突出（突出長３０ｍｍ）した形状のフォトマスクを配し、また、他方のレジスト塗膜上に開口径８００μｍの円形開口を有するフォトマスクを配し、これら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、ステンレス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するようなレジストパターンが形成された。また、ステンレス基板の他方の面には、開口径８００μｍの円形開口を有するレジストパターンが形成された。この円形開口は、反対面のストライプ状開口部の所定部位に対応する位置であった。
【００４０】
次に、上記のレジストパターンをマスクとして、下記の条件でステンレス基板をエッチングした。このエッチングは、ステンレス基板の一方の面からハーフエッチングにより微細溝部を形成し、他方の面からのエッチングにより貫通孔を形成するものであり、エッチングに要した時間は２５分間であった。
（エッチング条件）
・温度  ：  ８０℃
・エッチング液（塩化第二鉄溶液）比重  ：  ４５ボーメ（°B’e）
【００４１】
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、ステンレス基板の一方の面に、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（図５に示されるような）微細溝部（流路長３００ｍｍ）が形成された。また、この連続する微細溝部の端部には、図５に示されるように、形成された貫通孔の開口が位置するものであった。
【００４２】
次に、微細溝部が形成されていないステンレス基板面に、絶縁膜用塗布液としてポリイミド前駆体溶液（東レ（株）製フォトニース）をスクリーン印刷により上記の貫通孔を塞がないように印刷し、３５０℃で硬化させて厚み２０μｍの絶縁膜を形成した。
次いで、ステンレス基板の絶縁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、かつ、貫通孔を塞がないように、絶縁膜上に線間隔１００μｍで引き回した形状とした。
（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
【００４３】
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ヶ所に電極（０．５ｍｍ×０．５ｍｍ）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
【００４４】
次に、発熱体上に形成された２個の電極と、貫通孔の開口を露出するように、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
【００４５】
次いで、ステンレス基板の微細溝部形成面側を下記組成の触媒水溶液内に浸漬（１０分間）し、その後、２５０℃、６時間の乾燥還元処理を施して、微細溝部内に触媒を担持させた。
（触媒水溶液の組成）
・Ａｌ                                    …    ４１．２重量％
・Ｃｕ                                    …      ２．６重量％
・Ｚｎ                                    …      ２．８重量％
次に、ステンレス基板の微細溝部形成面側をアルミナ粉により研磨してステンレス基板面を露出させた。これにより、１段目の金属基板を準備した。
【００４６】
［２段目の金属基板の作製］
一方、上記と同じステンレス基板を準備し、このステンレス基板の両面に上記と同様に感光性のレジスト塗布膜を形成した。次に、ステンレス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で左右から交互に突出（突出長３０ｍｍ）した形状のフォトマスクを配し、また、他方のレジスト塗膜上に開口径８００μｍの円形開口を有するフォトマスクを配し、これら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、ステンレス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するようなレジストパターンが形成された。また、ステンレス基板の他方の面には、開口径８００μｍの円形開口を有するレジストパターンが形成された。この円形開口は、反対面のストライプ状開口部の所定部位に対応する位置であった。
【００４７】
次に、上記のレジストパターンをマスクとして、上記と同様の条件でステンレス基板をエッチングした。このエッチングは、ステンレス基板の一方の面からハーフエッチングにより微細溝部を形成し、他方の面からのエッチングにより貫通孔を形成するものであり、エッチングに要した時間は２５分間であった。
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、ステンレス基板の一方の面に、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（図６に示されるような）微細溝部（流路長３００ｍｍ）が形成された。また、この連続する微細溝部の端部には、図６に示されるように、形成された貫通孔の開口が位置するものであった。
【００４８】
次いで、ステンレス基板の微細溝部形成面側を下記組成の触媒水溶液内に浸漬（１０分間）し、その後、５００℃、１時間の乾燥還元処理を施して、微細溝部内に触媒を担持させた。
（触媒水溶液の組成）
・Ｐｔ                                    …      ０．４重量％
・Ｆｅ                                    …      ０．２重量％
・モルデナイト［Na8(Al8Si40O96)・24H2O］     …      ９．４重量％
次に、ステンレス基板の微細溝部形成面側をアルミナ粉により研磨してステンレス基板面を露出させた。これにより、２段目の金属基板を準備した。
【００４９】
［接合工程］
上記の１段目の金属基板の微細溝部形成面と、２段目の微細溝部形成面の反対面とを下記の条件で拡散接合した。この接合の際、２段目の金属基板の貫通孔が、１段目の金属基板に形成された微細溝部の流路の端部（１段目の金属基板における貫通孔が形成されている端部とは異なる端部）に一致するように位置合わせを行った。
（拡散接合条件）
・雰囲気    ：真空中
・接合温度  ：１０００℃
・接合時間  ：１２時間
【００５０】
次いで、カバー部材として、厚み０．３μｍのステンレス板を２段目の金属基板面の微細溝部形成面に下記の条件で拡散接合した。このステンレス板には、１ヶ所の開口部（ガス排出口：開口部の寸法は０．６ｍｍ×０．６ｍｍ）が設けられており、この開口部が２段目の金属基板に形成された微細溝部の流路の端部（２段目の金属基板における貫通孔が形成されている端部とは異なる端部）に一致するように位置合わせを行った。
（拡散接合条件）
・雰囲気    ：真空中
・接合温度  ：１０００℃
・接合時間  ：１２時間
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。
【００５１】
実施例２
［１段目の金属基板の作製］
実施例１の［１段目の金属基板の作製］と同様にして、ステンレス基板の一方の面に、幅１０００μｍ、深さ６５０μｍ、長さ３０ｍｍのストライプ形状の微細溝を２０００μｍのピッチで形成し、隣接する微細溝の端部において交互に連続するような（図５に示されるような）微細溝部（流路長３００ｍｍ）を形成した。この連続する微細溝部の端部には、図５に示されるように、形成された貫通孔の開口が位置するものであった。
【００５２】
次いで、ステンレス基板の微細溝部形成面側を下記組成の触媒水溶液内に浸漬（２時間）し、その後、３５０℃、１時間の乾燥還元処理を施して、微細溝部内に触媒を担持させた。
（触媒水溶液の組成）
・Ａｌ                                    …    ４１．２重量％
・Ｃｕ                                      …      ２．６重量％
・Ｚｎ                                    …      ２．８重量％
次に、ステンレス基板の微細溝部形成面側をアルミナ粉により研磨してステンレス基板面を露出させた。これにより、１段目の金属基板を準備した。
【００５３】
［２段目の金属基板の作製］
実施例１の［２段目の金属基板の作製］と同様にして、ステンレス基板の一方の面に、幅１０００μｍ、深さ６５０μｍ、長さ３０ｍｍのストライプ形状の微細溝を２０００μｍのピッチで形成し、隣接する微細溝の端部において交互に連続するような（図６に示されるような）微細溝部（流路長３００ｍｍ）を形成した。この連続する微細溝部の端部には、図６に示されるように、形成された貫通孔の開口が位置するものであった。
【００５４】
次いで、ステンレス基板の微細溝部形成面側を下記組成の触媒水溶液内に浸漬（１０分間）し、その後、５００℃、１時間の乾燥還元処理を施して、微細溝部内に触媒を担持させた。
（触媒水溶液の組成）
・Ｐｔ                                    …      ０．４重量％
・Ｆｅ                                    …      ０．２重量％
・モルデナイト［Na8(Al8Si40O96)・24H2O］     …      ９．４重量％
次に、ステンレス基板の微細溝部形成面側をアルミナ粉により研磨してステンレス基板面を露出させた。これにより、２段目の金属基板を準備した。
【００５５】
［接合工程］
上記の１段目の金属基板の微細溝部形成面と、２段目の微細溝部形成面の反対面とを、実施例１と同じ条件で拡散接合した。
次いで、カバー部材として、厚み０．３μｍのステンレス板を２段目の金属基板面の微細溝部形成面に、実施例１と同じ条件で拡散接合した。このステンレス板には、１ヶ所の開口部（ガス排出口：開口部の寸法は０．６ｍｍ×０．６ｍｍ）が設けられており、この開口部が２段目の金属基板に形成された微細溝部の流路の端部（２段目の金属基板における貫通孔が形成されている端部とは異なる端部）に一致するように位置合わせを行った。
次に、１段目の金属基板面に、実施例１と同様にして、絶縁膜、発熱体、電極、発熱体保護層を形成した。
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。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
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】
【００５７】
【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II−II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III−III線における拡大縦断面図である。
【図４】図１に示されるマイクロリアクター１において、発熱体保護層７を剥離した状態を示す斜視図である。
【図５】図１に示されるマイクロリアクターの１段目の金属基板の微細溝部形成面側を示す斜視図である。
【図６】図１に示されるマイクロリアクターの２段目の金属基板の微細溝部形成面側を示す斜視図である。
【図７】本発明のマイクロリアクターの他の実施形態を示す図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製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】本発明のマイクロリアクター製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。
【図１４】本発明のマイクロリアクター製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，１′…マイクロリアクター
２，２′，１２，１２′…金属基板
３，１３…微細溝部
４，１４…絶縁膜（金属酸化膜）
４′…絶縁膜
５…発熱体
６…電極
７…発熱体保護層
９，１９…貫通孔
１８…カバー部材
１８ａ…ガス排出口
Ｃ１，Ｃ２…触媒
【図１】
2005047794.tif 000003
【図２】
2005047794.tif 000004
【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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