(57)【要約】【課題】  高効率の触媒反応が可能であり、装置全体の小型化が可能なマイクロリアクターと、このようなマイクロリアクターの材料制限を最小限にして簡便に製造するための製造方法を提供する。【解決手段】  マイクロリアクターを、原料導入口と生成物排出口と少なくとも１対の電極用開口部を有する筐体と、触媒を担持して上記の筐体内に配設された多段触媒担持体と、この多段触媒担持体の少なくとも一方の最外段の外側近傍および／または上記の多段触媒担持体を構成する触媒担持体間に配設された発熱体とを備えたものとし、多段触媒担持体の各段を構成する触媒担持体をメッシュ形状とし、発熱体は電極用開口部から筐体の外部へ突出している少なくとも１対の電極に接続したものとする。【選択図】  図２
2007296495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料導入口と生成物排出口と少なくとも１対の電極用開口部を有する筐体と、触媒を担持して該筐体内に配設されている多段触媒担持体と、前記多段触媒担持体の少なくとも一方の最外段の触媒担持体の外側近傍および／または前記多段触媒担持体を構成する触媒担持体間に配設された発熱体とを備え、前記多段触媒担持体の各段を構成する前記触媒担持体はメッシュ形状であり、前記発熱体は前記電極用開口部から筐体の外部へ突出している少なくとも１対の電極に接続していることを特徴とするマイクロリアクター。
【請求項２】
前記筐体は、１組の筐体用部材を接合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。
【請求項３】
前記原料導入口と前記生成物排出口は前記筐体の対向する面に位置してい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】
前記多段触媒担持体は、メッシュ形状の前記触媒担持体が所定の間隔を設けて平行に配設されたものであ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】
前記発熱体は、前記多段触媒担持体の少なくとも一方の最外段の触媒担持体の外側近傍および／または前記多段触媒担持体を構成する触媒担持体間に、所定の間隔を設けて平行に配設されていることを特徴とする請求項４に記載のマイクロリアクター。
【請求項６】
前記電極と前記電極用開口部の間隙部はシール部材により封止されてい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】
前記触媒担持体は、メッシュ形状の金属基体と、該金属基体を被覆する金属酸化膜と、該金属酸化膜に担持された触媒とを備え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】
前記金属酸化膜は、前記金属基体の陽極酸化により形成されたものであることを特徴とする請求項７に記載のマイクロリアクター。
【請求項９】
前記金属酸化膜は、ウォッシュコート処理により形成されたものであることを特徴とする請求項７に記載のマイクロリアクター。
【請求項１０】
前記金属酸化膜は、前記金属基体に金属酸化物を溶射することにより形成されたものであることを特徴とする請求項７に記載のマイクロリアクター。
【請求項１１】
メッシュ形状の複数の金属基体をスペーサを介して多段構造に形成し、その後、前記金属基体に触媒を担持させて、複数の触媒担持体からなる多段触媒担持体を作製する工程と、
絶縁基体上に電熱体を配設して発熱体を作製する工程と、
前記多段触媒担持体の少なくとも一方の最外段の触媒担持体の外側近傍および／または前記多段触媒担持体を構成する触媒担持体間に前記発熱体を配設する工程と、
原料導入口と生成物排出口と少なくとも１対の電極用開口部を有し、該電極用開口部に電極が挿入配設された１組の筐体用部材を作製する工程と、
前記筐体用部材内に前記多段触媒担持体と前記発熱体を収納し、前記電極用開口部に挿入配設されている少なくとも１対の電極に前記電熱体を接続し、前記筐体用部材を接合して筐体とする工程と、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１２】
多段触媒担持体を作製する工程において、メッシュ形状の金属基体を金属酸化膜で被覆し、該金属酸化膜に触媒を担持することを特徴とする請求項１１に記載のマイクロリアクター。
【請求項１３】
前記金属酸化膜は、前記金属基体を陽極酸化して形成することを特徴とする請求項１２に記載のマイクロリアクター。
【請求項１４】
前記金属酸化膜は、ウォッシュコート処理により形成することを特徴とする請求項１２に記載のマイクロリアクター。
【請求項１５】
前記金属酸化膜は、前記金属基体に金属酸化物を溶射して形成することを特徴とする請求項１２に記載のマイクロリアクター。
【請求項１６】
前記筐体用部材を、有底箱体と、板状蓋体から構成し、前記有底箱体の１つの側壁部に少なくとも１対の前記電極用開口部を形成し、前記有底箱体の底部に前記生成物排出口を形成し、前記板状蓋体に前記原料導入口を形成することを特徴とする請求項１１乃至請求項１５のいずれかに記載のマイクロリアクターの製造方法。
【請求項１７】
前記筐体用部材を接合して筐体とする工程において、レーザー溶接、拡散接合、ロウ付け、抵抗溶接、陽極接合のいずれかを用いて筐体用部材の接合を行なうことを特徴とする請求項１１乃至請求項１６のいずれかに記載のマイクロリアクターの製造方法。
【請求項１８】
筐体用部材を作製する工程において、前記電極と前記電極用開口部との間隙をシール部材で封止することを特徴とする請求項１１乃至請求項１７のいずれかに記載の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、マイクロリアクターとその製造方法に係り、特に担持した触媒により所望の反応を進行させ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】
内部に触媒を担持したリアクターは、その目的に応じた最適な設計がなされて、種々の分野で使用されている。このようなリアクターの一例として、下記のように、燃料電池の分野においてマイクロリアクターが着目されている。
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であり、従来から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。そして、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。このような燃料電池のなかで、携帯機器用の燃料電池は小型化が必須とされている。このため、例えば、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用のマイクロリアクターが種々開発されている。このようなマイクロリアクターとして、例えば、発熱性基板に流体経路を形成し、この流体経路内に触媒を担持した構造のものが開発されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−３３１８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、流体経路内に触媒を担持している従来のマイクロリアクターでは、流体経路内での原料移送における圧力損失が大きく、このため、原料移送用ポンプの小型化には限界があった。
また、従来のマイクロリアクターでは、触媒の担持性が良好な基板材料を用いて流体経路を作製する必要があり、このため、使用する材料によっては、マイクロリアクターに供給される熱の利用効率が悪いという問題があった。また、発熱性基板から外部へ熱が逃げやすく、この点でも熱の利用効率が悪いものであった。
【０００４】
さらに、流体経路が形成された基板の接合においては、接合される基板面が清浄であることが必要である。しかし、流体経路内に触媒を担持する工程において基板面の清浄性が低下し、基板の接合によるマイクロリアクター作製に支障が生じるという問題があった。また、流体経路が形成された厚みのある基板の接合は、金属薄板の接合に比べて困難であり、接合不良がマイクロリアクターの信頼性低下に直結するという問題もあった。
また、流体経路内に担持した触媒が、基板接合工程等において著しく汚染されて劣化したり失活する場合があり、このため使用できる触媒が制限されたり、製造工程管理が難しいという問題もあった。
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、高効率の触媒反応が可能であり、装置全体の小型化が可能なマイクロリアクターと、このようなマイクロリアクターの材料制限を最小限にして簡便に製造するための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、本発明のマイクロリアクターは、原料導入口と生成物排出口と少なくとも１対の電極用開口部を有する筐体と、触媒を担持して該筐体内に配設されている多段触媒担持体と、前記多段触媒担持体の少なくとも一方の最外段の触媒担持体の外側近傍および／または前記多段触媒担持体を構成する触媒担持体間に配設された発熱体とを備え、前記多段触媒担持体の各段を構成する前記触媒担持体はメッシュ形状であり、前記発熱体は前記電極用開口部から筐体の外部へ突出している少なくとも１対の電極に接続しているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記筐体は、１組の筐体用部材を接合したものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記原料導入口と前記生成物排出口は前記筐体の対向する面に位置しているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記多段触媒担持体は、メッシュ形状の前記触媒担持体が所定の間隔を設けて平行に配設されたものであるような構成とした。
【０００６】
本発明の他の態様として、前記発熱体は、前記多段触媒担持体の少なくとも一方の最外段の触媒担持体の外側近傍および／または前記多段触媒担持体を構成する触媒担持体間に所定の間隔を設けて平行に配設されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記電極と前記電極用開口部の間隙部はシール部材により封止されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記触媒担持体は、メッシュ形状の金属基体と、該金属基体を被覆する金属酸化膜と、該金属酸化膜に担持された触媒とを備えるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属酸化膜は、前記金属基体の陽極酸化により形成されたものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属酸化膜は、ウォッシュコート処理により形成されたものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属酸化膜は、前記金属基体に金属酸化物を溶射することにより形成されたものであるような構成とした。
【０００７】
また、本発明のマイクロリアクターの製造方法はメッシュ形状の複数の金属基体をスペーサを介して多段構造に形成し、その後、前記金属基体に触媒を担持させて、複数の触媒担持体からなる多段触媒担持体を作製する工程と、絶縁基体上に電熱体を配設して発熱体を作製する工程と、前記多段触媒担持体の少なくとも一方の最外段の触媒担持体の外側近傍および／または前記多段触媒担持体を構成する触媒担持体間に前記発熱体を配設する工程と、原料導入口と生成物排出口と少なくとも１対の電極用開口部を有し、該電極用開口部に電極が挿入配設された１組の筐体用部材を作製する工程と、前記筐体用部材内に前記多段触媒担持体と前記発熱体を収納し、前記電極用開口部に挿入配設されている少なくとも１対の電極に前記電熱体を接続し、前記筐体用部材を接合して筐体とする工程と、を有するような構成とした。
【０００８】
本発明の他の態様として、多段触媒担持体を作製する工程において、メッシュ形状の金属基体を金属酸化膜で被覆し、該金属酸化膜に触媒を担持するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属酸化膜は、前記金属基体を陽極酸化して形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属酸化膜は、ウォッシュコート処理により形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属酸化膜は、前記金属基体に金属酸化物を溶射して形成するような構成とした。
【０００９】
本発明の他の態様として、前記筐体用部材を、有底箱体と、板状蓋体から構成し、前記有底箱体の１つの側壁部に少なくとも１対の前記電極用開口部を形成し、前記有底箱体の底部に前記生成物排出口を形成し、前記板状蓋体に前記原料導入口を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記筐体用部材を接合して筐体とする工程において、レーザー溶接、拡散接合、ロウ付け、抵抗溶接、陽極接合のいずれかを用いて筐体用部材の接合を行なうような構成とした。
本発明の他の態様として、筐体用部材を作製する工程において、前記電極と前記電極用開口部との間隙をシール部材で封止するような構成とした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のマイクロリアクターは、各段がメッシュ形状である多段触媒担持体を筐体内に備えたものであり、原料移送における圧力損失を生じる流体経路内に触媒を担持した構造ではないので、原料移送に必要なポンプの小型化、したがって、マイクロリアクターを含む装置全体の小型化が可能であり、また、筐体内において多段触媒担持体の少なくとも一方の最外段の触媒担持体の外側近傍および／または多段触媒担持体を構成する触媒担持体間に発熱体を有するので、筐体外部への熱放出が抑制され、触媒を瞬時に適温に加熱することができ、停止状態から始動したときの立ち上がり速度が速く、運転時の温度制御性に優れ、かつ、投入電力の利用効率の高いものとなり、また、触媒担持性を考慮することなく筐体の材料を選定することができ、例えば、熱伝導率の低い筐体を使用して、筐体内部からの熱放出を防止して熱の利用効率を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の製造方法では、多段触媒担持体の作製、発熱体の作製、筐体用部材の作製が別々に行われるので、多段触媒担持体への絶縁材料等の付着や、触媒の汚染・失活が防止され、かつ、均一な触媒担持が可能で、難しい製造工程管理が不要となり、また、触媒担持の際の電熱体や電極の汚染も防止され、接続不良等の不具合を回避することができ、さらに、筐体用部材の接合面の清浄性が失われることがなく、かつ、筐体用部材の接合は、流体経路を備えた基板面の接合に比べ容易であり、接合が確実に行なわれるので、信頼性の高いマイクロリアクターの製造が可能である。
【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筐体分解斜視図である。また、図３は図１に示されるマイクロリアクターの筐体を取り除いた状態を示す斜視図である。さらに、図４は図１に示されるマイクロリアクターの多段触媒担持体の斜視図であり、図５は筐体用部材を示す斜視図である。尚、図２では、筐体の一部を切り欠いた断面状態を示している。
図１〜図５において、本発明のマイクロリアクター１は、筐体１１と、この筐体１１内部に配設された多段触媒担持体３、発熱体２１とを備えている。
【００１３】
筐体１１は、１つの面１１ａに原料導入口１３を有し、これに対向する面１１ｂに生成物排出口１４を備えている。また、別の面１１ｃには、１対の電極用開口部１５，１５を備えている。このような筐体１１は、１組の筐体用部材１２Ａ，１２Ｂを接合したものであり、図示の例では、筐体用部材１２Ａは有底箱体であり、筐体用部材１２Ｂは板状蓋体である。また、筐体用部材１２Ａに形成されている１対の電極用開口部１５，１５には電極２７，２７が挿入して装着され、これらの電極２７，２７と電極用開口部１５，１５との間隙がシール部材１７で封止されている。ここで、シール部材１７は、通常、絶縁性を有する材料を使用する。
そして、有底箱体である筐体用部材１２Ａ内に多段触媒担持体３と発熱体２１が収納されており、発熱体２１を構成する電熱体２３の両端子２４，２４は、それぞれ接続ワイヤ２８，２８を介して電極２７，２７に接続されている。
【００１４】
筐体１１に収納されている多段触媒担持体３は、図示例では３枚のメッシュ形状の触媒担持体４ａ，４ｂ，４ｃがスペーサ８，８を介して所定の間隔を設けて平行に配設されている。尚、本発明では、多段触媒担持体３を構成するメッシュ形状の触媒担持体の枚数（段数）に制限はない。
ここで、本発明におけるメッシュ形状とは、複数の微細孔を備えた形状のことであり、例えば、複数の微細孔を備えた板体であってよく、また、金属線等により編まれた網体等であってもよい。また、触媒担持体４ａ，４ｂ，４ｃの全面がメッシュ形状でもよく、触媒担持体４ａ，４ｂ，４ｃの所定の部位のみがメッシュ形状となったものでもよい。図示例では、触媒担持体４ａ，４ｂ，４ｃは複数の微細孔５を備えた板体であり、図６に示されるように、微細孔５を備えた金属基体６を金属酸化膜７で被覆し、この金属酸化膜７に触媒Ｃを担持したものである。尚、図６では、触媒担持体４ａを例に示しているが、他の触媒担持体４ｂ、４ｃも同様である。
【００１５】
また、発熱体２１は、多段触媒担持体３の一方の最外段である触媒担持体４ａに、スペーサ９を介して所定の間隔を設けて平行に配設されている。この発熱体２１は、図７に示されるように、原料通過用の複数の開口部２５ａを有する支持基体２５を絶縁層２６で被覆した絶縁基体２２上に、電熱体２３を配設したものであり、電熱体２３の両端には端子２４，２４が設けられている。図示例では、支持基体２５が有する原料通過用の複数の開口部２５ａの間を通るように蛇行パターンで電熱体２３が形成されているが、これに限定されるものではない。
【００１６】
次に、本発明のマイクロリアクターを構成する部材について説明する。
マイクロリアクター１を構成する筐体１１（筐体用部材１２Ａ，１２Ｂ）は、多段触媒担持体３と発熱体２１を内部に収納して保持できる所望の強度を有し、内部での反応に支障を来たさない材質であれば特に制限はなく、ステンレス等の金属、アルミナ、シリコン、石英等の材質から、触媒担持性を考慮することなく適宜選定することができる。特に、ステンレスは、レーザー溶接、拡散接合、ろう付けを用いた筐体用部材１２Ａ，１２Ｂの接合が可能であり、好適である。
筐体１１の寸法、形状は、内部に配設する多段触媒担持体３、発熱体２１の寸法、形状等を考慮して適宜設定することができる。また、筐体１１の厚み（肉厚）は、使用する材料に応じて適宜設定することができる。
筐体１１を構成する有底箱体の筐体用部材１２Ａは、例えば、プレス成型、切削加工等により作製することができる。
【００１７】
多段触媒担持体３の各触媒担持体４ａ，４ｂ，４ｃを構成する金属基体６は、例えば、陽極酸化により金属酸化膜７を形成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、Ｙ、Ｃｅ等を挙げることできる。また、金属基体６として、ウォッシュコート処理により金属酸化膜７の形成が可能な材料、例えば、Ｃｕ、ステンレス、Ｆｅ、Ａｌ等を使用することもできる。金属基体６の厚みは、使用する材料の熱容量、熱伝導率等の特性、形成するメッシュ形状等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、１００μｍ〜１ｍｍ程度の範囲で設定することができる。また、微細孔５の開口形状は、円形状、楕円形状、多角形状等、いずれであってもよく、開口の大きさは、最大開口幅が１００μｍ〜１ｍｍ程度の範囲となるように設定することができる。
【００１８】
また、金属酸化膜７は、触媒Ｃを担持するために設けられたものであり、上述のような金属基体６の陽極酸化により形成されたもの、あるいは、金属基体６へのウォッシュコート処理により形成されたもの、あるいは、金属基体６への金属酸化物の溶射により形成されたものであってよい。このような金属酸化膜７は、多孔質膜であり、触媒Ｃの担持量が大きく、かつ、安定した触媒担持を可能とする。
金属基体６の陽極酸化による金属酸化膜７の形成は、金属基体６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７の厚みは、例えば、１０〜１００μｍ程度の範囲で設定することができる。
【００１９】
また、ウォッシュコート処理による金属酸化膜７の形成は、例えば、アルミナゾルのようなベーマイトアルミナが分散されている状態の懸濁液を用い、この懸濁液の粘度を十分に低下させたものを金属基体６に塗布（あるいは、金属基体６を浸漬）し、その後、乾燥させ、ベーマイト被膜を金属基体６の表面に固定化させることにより行うことができる。このようなウォッシュコート処理により形成される金属酸化膜７は、酸化アルミニウム薄膜であり、厚みは、例えば、０．１〜１０μｍ程度の範囲で設定することができる。
また、金属酸化物の溶射による金属酸化膜７の形成は、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。このような金属酸化物の溶射により形成される金属酸化膜７の厚みは、例えば、１０〜１００μｍ程度で設定することができる。
金属酸化膜７に担持される触媒Ｃは、マイクロリアクター１の用途に応じて適宜選択することができ、特に制限はない。
【００２０】
各触媒担持体４ａ，４ｂ，４ｃを所定の間隔を設けて平行に配設するためのスペーサ８，８は、金属基体６と同じ材料、あるいは、金属基体６との接合が可能な他の金属材料からなるものであってよい。このスペーサ８，８の厚みは、各触媒担持体４ａ，４ｂ，４ｃ間に形成する間隔に応じて適宜設定することができ、例えば、２００μｍ〜１ｍｍの範囲で設定することができる。
発熱体２１を構成する支持基体２５は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、石英、セラミックス等の材料からなるものであってよい。この支持基体２５が備える原料通過用の複数の開口部２５ａは、その形状、寸法、個数に制限はなく、適宜設定することができる。
【００２１】
また、絶縁層２６は、支持基体２５が陽極酸化可能な場合には、陽極酸化により形成した金属酸化物かなるものであってよく、また、例えば、ポリイミド、セラミックス（Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）等の電気絶縁性材料により形成されたものであってもよい。このような絶縁層２６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、０．１〜２μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、支持基体２５が電気絶縁性の材料からなる場合には、絶縁層２６は設けられてなくてもよい。
支持基体２５を絶縁層２６で被覆した絶縁基体２２上に配設されている電熱体２３としては、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金）、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ等の電熱材料を使用することができる。
発熱体２１を、多段触媒担持体３の一方の最外段である触媒担持体４ａに所定の間隔を設けて平行に配設するためのスペーサ９は、金属基体６、支持基体２５との接合が可能な金属材料からなるものであってよい。このスペーサ９の厚みは、多段触媒担持体３と発熱体２１との間に形成する間隔に応じて適宜設定することができ、例えば、２００μｍ〜１ｍｍの範囲で設定することができる。
【００２２】
１対の電極２７，２７は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｇ等の導電材料からなるものとすることができる。また、発熱体２１の端子２４，２４と電極２７，２７を接続する接続ワイヤ２８，２８は、Ａｕ線等であってよい。
また、電極２７，２７と電極用開口部１５，１５との間隙部を封止するシール部材１７は、ガラスペースト、セラミックペースト等により形成することができる。
上述のような本発明のマイクロリアクター１は、各段４ａ，４ｂ，４ｃがメッシュ形状である多段触媒担持体３を筐体１１内に備えたものであり、流体経路内に触媒を担持した従来のマイクロリアクターにおいて問題となっていた原料移送時の圧力損失が低減され、原料移送に必要なポンプの小型化が可能である。また、筐体１１内において多段触媒担持体３の一方の最外段４ａの近傍に発熱体２１を有するので、筐体１１外部への熱の放出が抑制されて触媒Ｃを瞬時に適温に加熱することができ、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、投入電力の利用効率の高いものとなる。また、触媒担持性を考慮することなく筐体１１の材料を選定することができ、例えば、熱伝導率の低い筐体１１を使用して、筐体１１内部からの熱放出を防止して熱の利用効率を向上させることができる。
【００２３】
尚、本発明のマイクロリアクターは、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、原料導入口と生成物回収口の位置は限定されない。また、筐体は、共に有底箱体である１組の筐体用部材を接合したものであってもよい。
また、発熱体２１は、多段触媒担持体３を構成する触媒担持体４ａ，４ｂ，４ｃの所望の段の間に、所定の間隔を設けて平行に配設されてもよい。また、複数の発熱体２１を備える場合には、筐体に複数対の電極用開口部を形成してもよい。
【００２４】
［マイクロリアクターの製造方法］
図８および図９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。
本発明の製造方法は、多段触媒担持体３を作製する工程と、発熱体２１を作製する工程と、筐体用部材１２Ａ，１２Ｂを作製する工程が独立している。
多段触媒担持体３を作製する工程では、最初に、金属基体６に複数の微細孔５を形成する（以下、図６参照）。この微細孔５は、例えば、金属基体６の両面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たウエットエッチングで形成することができる。また、レーザー穴あけ加工、放電加工、金型によるプレス加工等を用いて微細孔５を形成することも可能である。
【００２５】
次に、スペーサ８を介して金属基体６を所定の間隔で平行に保持するように接合して、多段状態とする。スペーサ８と金属基体６との接合は、例えば、スポット溶接、拡散接合で行うことができる。
次に、金属基体６を被覆するように金属酸化膜７を形成する。金属基体６への金属酸化膜７の形成は、例えば、金属基体６の陽極酸化、金属基体６へのウォッシュコート処理、金属基体６への金属酸化物の溶射により行なうことができる。
陽極酸化による金属酸化膜７の形成は、金属基体６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。また、ウォッシュコート処理による金属酸化膜７の形成は、例えば、アルミナゾルのようなベーマイトアルミナが分散されている状態の懸濁液を用い、この懸濁液の粘度を十分に低下させたものを金属基体６に塗布（あるいは、金属基体６を浸漬）し、その後、乾燥させ、ベーマイト被膜を金属基体６の表面に固定化させる。また、金属酸化物の溶射による金属酸化膜７の形成は、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。
【００２６】
尚、スペーサ８との接合部位が露出するように金属酸化膜７を金属基体６に形成し、その後、スペーサ８を介して金属基体６を所定の間隔で平行に保持するように接合して、多段状態としてもよい。金属基体６の所望部位が露出するように金属酸化膜７を形成するには、スペーサ８との接合部位に予め金属基体６を被覆するレジストパターンを形成し、その後、金属酸化膜を形成する方法、あるいは、金属基体６の全面に金属酸化膜７を形成した後、スペーサ８との接合部位に位置する金属酸化膜７をエッチング、サンドブラスト等により除去する方法等を用いることができる。
次に、金属酸化膜７上に触媒Ｃを担持する。金属酸化膜７への触媒Ｃの担持は、例えば、金属酸化膜７で被覆された金属基体６を触媒前駆体溶液に浸漬したり、触媒前駆体溶液を塗布して、適量を金属酸化膜７に付着させ、その後、触媒前駆体溶液を乾燥することにより行うことができる。
これにより、多段触媒担持体３が得られる（図８（Ａ））。
【００２７】
また、発熱体２１を作製する工程では、まず、支持基体２５に原料通過用の複数の開口部２５ａを形成し、この支持基体２５を絶縁層２６で被覆して絶縁基体２２を作製する（以下、図７参照）。この絶縁層２６の形成は、支持基体２５とスペーサ９との接合部位を露出させるように行う。支持基体２５が陽極酸化可能な場合には、陽極酸化により支持基体２５に金属酸化物を形成して絶縁層２６とすることができる。また、例えば、ポリイミド、セラミックス（Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）等の電気絶縁性材料により絶縁層２６を形成してもよい。
次いで、この絶縁基体２２上に電熱体２３を形成し、その両端部に端子２４，２４を形成する。この電熱体２３の形成方法としては、カーボンペースト、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金）、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ等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、配線パターンを有するメタルマスクを介して真空成膜法により絶縁膜上にパターニングする方法等を挙げることができる。また、端子２４，２４は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の導電材料からなるものとすることができる。
これにより、絶縁基体２２の一方の面に電熱体２３を備えた発熱体２１が得られる（図８（Ｂ））。
【００２８】
次に、多段触媒担持体３の最外段の触媒担持体４ａにスペーサ９を介して発熱体２１を所定の間隔で平行に配設する（図８（Ｃ））。スペーサ９と金属基体６や支持基体２５との接合は、例えば、スポット溶接で行うことができる。
一方、上記の多段触媒担持体３、発熱体２１を形成する工程と独立して、筐体用部材１２Ａ，１２Ｂを作製する。筐体用部材１２Ａは有底箱体であり、底部に生成物排出口１４を有し、側壁部に１対の電極用開口部１５，１５を有している。このような筐体用部材１２Ａは、例えば、金属板のプレス成型により、あるいは金属の切削加工により作製することができる。また、筐体用部材１２Ｂは板状蓋体であり、原料導入口１３を有している。次いで、筐体用部材１２Ａの１対の電極用開口部１５，１５に電極２７，２７を挿入配設し、これらの電極２７，２７と電極用開口部１５，１５との間隙をシール部材１７で封止する（図９（Ａ））。
【００２９】
次に、上述のように作製した多段触媒担持体３と発熱体２１を筐体用部材１２Ａ内に収納し、電熱体２３の端子２４，２４と電極２７，２７とを接続ワイヤ２８で接続する（図９（Ｂ））。
その後、筐体用部材１２Ａ，１２Ｂを接合してマイクロリアクター１とする（図９（Ｃ））。筐体用部材１２Ａ，１２Ｂの接合は、例えば、レーザー溶接、拡散接合、ロウ付け、抵抗溶接、陽極接合等により行うことができる。
【００３０】
上述のような本発明の製造方法では、多段触媒担持体３の作製、発熱体２１の作製、筐体用部材１２Ａ，１２Ｂの作製が別々に行われるので、多段触媒担持体３への絶縁材料等の付着や、触媒Ｃの汚染・失活が防止され、かつ、均一な触媒担持が可能で、難しい製造工程管理を不要とすることができる。また、触媒担持の際の電熱体２３や電極２４の汚染も防止され、接続不良等の不具合を回避することができる。さらに、筐体用部材１２Ａ，１２Ｂの接合面の清浄性が失われることがなく、かつ、筐体用部材１２Ａ，１２Ｂの接合は、従来の流体経路が形成された基板相互の接合に比べ容易であり、接合が確実に行なわれるので、信頼性の高いマイクロリアクターの製造が可能となる。
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】
【００３１】
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。
［多段触媒担持体の作製］
金属基体として、厚み２００μｍのＳＵＳ３０４基板を準備し、このＳＵＳ３０４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、微細孔形成用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、ＳＵＳ３０４基板の両面に、外形が２３ｍｍ×２５ｍｍの長方形であり、その中央の長方形領域（１７ｍｍ×１９ｍｍ）に、開口径が２００μｍの微細開口がピッチ１００μｍで配列されたレジストパターンＡが形成された。
【００３２】
また、上記と同じＳＵＳ３０４基板を準備し、上記と同様に、両面に感光性レジスト材料を塗布し、スペーサ形成用のフォトマスクを介してレジスト塗布膜を露光・現像した。これにより、ＳＵＳ３０４基板に、外形が２３ｍｍ×２５ｍｍの長方形であり、その中央に長方形（２１ｍｍ×２３ｍｍ）の開口を有するレジストパターンＢ（２ｍｍ幅の回廊形状パターン）が形成された。
次に、上記のレジストパターンＡ、レジストパターンＢをマスクとして、各ＳＵＳ３０４基板を下記の条件でエッチング（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）
【００３３】
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、外形寸法が２３ｍｍ×２５ｍｍで、中央の１７ｍｍ×１９ｍｍの長方形領域に、最大開口径が約２００μｍの微細孔がピッチ１００μｍで配列形成されたメッシュ形状の金属基体を得た。また、外形寸法が２３ｍｍ×２５ｍｍで、中央に２１ｍｍ×２３ｍｍの長方形の開口を有する回廊形状のスペーサを得た。
次に、上記のメッシュ形状の金属基体の表面に、プラズマスプレー法によりアルミナ溶射を行った。このアルミナ溶射はメタルマスクを介して行い、メッシュ形状の金属基体の外周部が１ｍｍの幅でメタルマスクにより遮蔽され、アルミナ溶射膜が形成されないように行った。これにより、メッシュ形状の金属基体の外周部を除く表裏、およびメッシュ微細孔の内壁面に、アルミナ溶射膜からなる厚み３０μｍの金属酸化膜（触媒担持層）を形成した。
【００３４】
次いで、上記のアルミナ溶射膜付きのメッシュ形状金属基体１０枚を、上記のスペーサを介して積層し、下記の拡散接合条件で接合を行った。これにより、１０枚のアルミナ溶射膜付きのメッシュ形状金属基体が２００μｍの間隔で平行に保持されて多段状態となった。
（拡散接合条件）
・雰囲気    ：  真空中
・接合温度  ：  １０００℃
・接合時間  ：  １２時間
【００３５】
次に、多段状態の１０枚のアルミナ溶射膜付きのメッシュ形状金属基体を、下記組成の改質触媒懸濁液に浸漬（３分間）し、引き上げた後、１２０℃、１時間の乾燥処理、３００℃、３時間の焼成処理を施した。さらに、水素ガス雰囲気中で、３００℃、１時間の還元処理を施した。これにより、１０段の触媒担持体を有する多段触媒担持体とした。
（改質触媒懸濁液の組成）
・Ｓｉ                                    …  １．２重量％
・Ｃｕ                                    …  ２．６重量％
・Ｚｎ                                    …  ２．８重量％
・水                                      …    ９３重量％
・その他（分散剤）                        …  ０．４重量％
【００３６】
［電熱体の形成］
厚み２００μｍのＳＵＳ３０４基板を準備し、このＳＵＳ３０４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、開口部形成用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、ＳＵＳ３０４基板の両面に、外形が２３ｍｍ×２５ｍｍの長方形であり、その長方形領域内に、長手方向に沿って２０ｍｍ×２．５ｍｍの帯状の開口部が４ｍｍピッチで５箇所形成されたレジストパターン（支持基体形成用）が形成された。
【００３７】
次に、上記のレジストパターンをマスクとしてＳＵＳ３０４基板を下記の条件でエッチング（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）
【００３８】
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、外形寸法が２３ｍｍ×２５ｍｍで、長手方向に沿って帯状（２０ｍｍ×２．５ｍｍ）の開口部（原料通過用）が４ｍｍピッチで５箇所形成された支持基体を得た。
次に、この支持基体の全面に、ＳｉＯ2ゾル（東京応化工業（株）製  ＯＣＤ  Ｔ−１２−８００）をディップ法により塗布し、大気中で２００℃、３０分間の乾燥処理、窒素雰囲気中で４００℃、１時間の焼成処理を施した。これにより、支持基体上にＳｉＯ2絶縁層（厚み０．５μｍ）を形成した。
【００３９】
次に、ＳｉＯ2絶縁層を形成した支持基体の一方の面に、メタルマスクを介して、蒸着法により薄膜電熱体と端子を形成した。この電熱体と端子の材料はＡｕを使用した。このように形成された薄膜電熱体は、図３に示されるように、線幅５００μｍの細線がピッチ４ｍｍで、支持基板の開口部間に蛇行形状に形成されたものであった。これにより、発熱体が得られた。
次いで、このように作製した発熱体を、上記の多段触媒担持体の最外段に、上記のスペーサと同様のスペーサを介して、接着剤（スリーボンド（株）製  ３７３２耐熱性無機接着剤）を用いて接着した。接着後、大気中で１２０℃、１時間の乾燥を行い、発熱体を多段触媒担持体の最外段に固着した。これにより、多段触媒担持体に対して、発熱体が約２００μｍの間隔で平行に保持されて一体化された。
【００４０】
［筐体用部材の作製］
厚み５００μｍのＳＵＳ３０４基板を準備し、プレス成型により図５に示されるような有底箱体形状の筐体用部材を作製した。この筐体用部材は、深さが８ｍｍ、開口形状が３３ｍｍ×３５ｍｍの長方形である。次いで、筐体用部材の側壁部に開口径が２ｍｍの１対の電極用開口部を形成し、また、筐体用部材の底部に開口径が１．５ｍｍの生成物排出口を穿設した。
次に、直径１ｍｍの棒状の銅電極の表面にＡｕめっきを行ってＡｕ層（厚み２０μｍ）を形成して電極とした。この電極を、上記の有底箱体形状の筐体用部材の１対の電極用開口部に挿入し、電極と電極用開口部との間隙部をガラスペーストで封止した。
一方、厚み５００μｍのＳＵＳ３０４基板を３４ｍｍ×３６ｍｍの長方形に打ち抜いて、板状蓋体である筐体用部材を作製した。次いで、この筐体用部材に開口径が１．５ｍｍの原料導入口を穿設した。
これにより、有底箱体と板状蓋体からなる１組の筐体用部材を得た。
【００４１】
［筐体用部材の接合］
次に、上述のように作製した多段触媒担持体と発熱体とを、有底箱体である筐体用部材内に、接着剤（スリーボンド（株）製  ３７３２耐熱性無機接着剤）を用いて収納・接着し、大気中で１２０℃、１時間の乾燥を行い、有底箱体である筐体用部材内に発熱体付き多段触媒担持体を固着した。その後、電熱体の端子と、筐体用部材に装着されている電極とをＡｕ線で接続した。次いで、有底箱体である筐体用部材の開口を、板状蓋体である筐体用部材で閉塞し、レーザースポット溶接により接合して筐体を完成させ、本発明のマイクロリアクターを得た。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、担持した触媒により所望の反応を得るための用途、例えば、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を製造する用途等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【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筐体分解斜視図である。
【図３】図１に示されるマイクロリアクターの筐体を取り除いた状態を示す斜視図である。
【図４】図１に示されるマイクロリアクターの多段触媒担持体の斜視図である。
【図５】筐体用部材を示す斜視図である。
【図６】多段触媒担持体を構成する触媒担持体の一例を示す部分断面図である。
【図７】発熱体の一例を示す部分断面図である。
【図８】本発明のマイクロリアクターの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の製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…マイクロリアクター
３…多段触媒担持体
４ａ，４ｂ，４ｃ…触媒担持体
５…微細孔
６…金属基体
７…金属酸化膜
８，９…スペーサ
１１…筐体
１２Ａ，１２Ｂ…筐体用部材
１３…原料導入口
１４…生成物排出口
１５…電極用開口部
１７…シール部材
２１…発熱体
２２…絶縁基体
２３…電熱体
２７…電極
２８…接続ワイヤ
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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【図９】
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