(57)【要約】【課題】マイクロ流路内に触媒を充填する方法及び改質器が提供される。【解決手段】本発明は、水を用いて流路内に触媒を充填する段階と、上記流路内の触媒に一方向の圧力を加えて高密度に充填する段階と、上記流路内の触媒を乾燥する段階と、を含んで流路内に触媒を充填するマイクロ流路内の触媒充填方法及びこれを用いて作られた改質器を提供する。本発明によると、改質部のマイクロ流路内に粒子型の触媒を均一かつ高密度に充填できることにより、燃料と触媒粒子の反応表面積を大きくして高効率の改質効果が得られる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用改質器の流路の内部に触媒を充填する方法において、
触媒および液体の混合液を流路内に流し込む段階と、
前記流路内で触媒を沈殿させて、触媒を高密度にする段階と、
前記流路内の触媒を乾燥させる段階と
を含んで流路内に触媒を充填することを特徴とするマイクロ流路内の触媒充填方法。
【請求項２】
前記流し込む段階は、前記改質器の流路内に液体を充填し、その状態で前記流路内に触媒と液体の混合液を注入することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路内の触媒充填方法。
【請求項３】
前記高密度にする段階は、前記流路内に触媒と液体の混合液を注入した状態で改質器を傾けて重力を用いて高密度にすることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路内の触媒充填方法。
【請求項４】
前記流し込む段階および前記高密度にする段階を複数回繰り返した後、前記乾燥させる段階を実行することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路内の触媒充填方法。
【請求項５】
前記乾燥させる段階の後、前記流路に混合液を流し込んだ触媒注入口を、前記流路を形成する材料と同一の材料で閉鎖する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路内の触媒充填方法。
【請求項６】
触媒が充填された燃料流路を備えることを特徴とする燃料電池用改質器。
【請求項７】
燃料流路に液体燃料を供給する燃料導入口、水素を外部に排出する水素排出口、および、前記燃料流路に対して触媒を注入する触媒注入口を有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器のマイクロ流路内に触媒を充填する方法及びこれを用いて作られた改質器に関するものであって、より詳細には、燃料改質用触媒を水と重力を用いてマイクロ流路の内部に効果的に均一かつ稠密に充填させることにより、改質効果を高め、高効率の改質効果を得て、小型で構成できることにより、燃料電池の小型化を成すことができるよう改善されたマイクロ流路内の触媒充填方法及びこれを用いて作られた改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノート型パソコンなどの携帯用小型電子機器の使用が増加しており、特に携帯電話用ＤＭＢ放送が始まって以来携帯用の小型端末機における電源性能の向上が要求されている。現在、一般に使用されているリチウムイオン２次電池は、その容量がＤＭＢ放送を２時間視聴できる水準であり、性能向上が進んではいるが、より根本的な解決方案として小型燃料電池に対する期待が高まりつつある。
【０００３】
このような小型燃料電池が具現出来る方式としては、燃料極にメタノールを直接供給する直接メタノール（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ）方式と、メタノールから水素を抽出して燃料極に注入するＲＨＦＣ（Ｒｅｆｏｒｍｅｄ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）方式があり、ＲＨＦＣ方式はＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）方式のように水素を燃料として使用している。従って、高出力化、単位体積当たり具現可能な電力容量、そして水以外の反応物がないということに長所はあるものの、システムに改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が追加されなければならないため、小型化に不利という短所もある。
【０００４】
このように燃料電池が高い電源出力密度を得るためには、燃料気体を水素ガスなどの気体燃料として作るための改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が必修で使われる。このような改質器は、メタノール水溶液を気化させる蒸発部と、２５０℃乃至２９０℃の温度で触媒反応を通じて燃料であるメタノールを水素に転換させる改質部を含んでいる。
【０００５】
このような改質器は、改質部では吸熱反応が進行し、その部分の温度を２５０℃乃至２９０℃の間に保持させてこそ反応効率が良好になる。
【０００６】
従来の改質器には、図１に図示されたような特許文献１の改質装置３５０がある。このような従来の小型改質装置３５０は、図１に図示された通り、蒸発室３５２に空洞３５４が設けられ、この空洞３５４に蒸発用ヒータ３５６が設けられている。そして上記空洞３５４には燃料噴射手段３５８が具備されており、この燃料噴射手段３５８は燃料であるメチルアルコールと水の混合液３６０を上記空洞３５４へ噴射する。このように噴射された燃料混合液３６０は、蒸発用ヒータ３５６によって加熱され蒸発する。
【０００７】
上記のように混合液３６０が気化して成るガスは、マイクロ流路３６２内に流れ、マイクロ流路３６２内にコーティングされた改質触媒３６４によって水素と二酸化炭素に改質される。このような改質装置３５０は、このようなマイクロ流路３６２内に改質触媒３６４をコーティングして形成する。
【０００８】
図２には、上記のような改質器のマイクロ流路内に改質触媒をコーティングするための工程が図示されている。
【０００９】
このような工程は、その代表的方式としてディップ−コーティング法（Ｄｉｐ−ｃｏａｔｉｎｇ）があるが、この方法は先ず、図２（ａ）に図示された通り、薄膜ヒータ４０２と電極層４０４を形成するためヒータ用としてＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎを形成し、電極用としてＡｕをスパッタリングすることにより、これら層をシリコンウェーハ４００上に形成する。
【００１０】
そして、図２（ｂ）に図示された通り、フォトリソグラフィ法（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）によって上記薄膜ヒータ４０２と電極層４０４にパターンをそれぞれ形成させる。その後、絶縁膜４０６を図２（ｃ）に図示された通り形成させ、フォトレジストをシリコンウェーハ４００の反対側にフォトリソグラフィ法によって形成させる。
【００１１】
また図２（ｄ）に図示された通り、サンドブラスティング（ｓａｎｄ−ｂｌａｓｔｉｎｇ）を通じて上記シリコンウェーハ４００の背面に流路４１０を形成し、これらシリコンウェーハ４００を図２（ｅ）に図示された通り、幾つかの切れに切断する。
【００１２】
その後、図２（ｆ）に図示された通り、上記流路４１０にＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３触媒層４１２をコーティングさせる。この過程において上記流路４１０内の選択的な触媒コーティングのために流路４１０を除いた部分にフォトレジスト（ｄｒｙ−ｆｉｌｍ  ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）４１４を載せる。そしてディップ−コーティング法を用いて上記流路にＡｌ２Ｏ３べーマイト（Ｂｏｅｈｍｉｔｅ）層４１１を形成させる。これは上記触媒と流路壁の接着力を増加させるための作業である。
【００１３】
そしてＡｌ２Ｏ３べーマイト（Ｂｏｅｈｍｉｔｅ）層４１１を１００℃で乾燥させた後に２次的にＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３触媒層４１２を同じくディップ−コーティング法で図２（ｇ）のように形成する。上記のようにコーティングが完了した後は、パイレックス（ｐｙｒｅｘ、登録商標）ガラス基板４２０と接合させることにより、図２（ｈ）のように改質装置４４０を完成する。
【００１４】
ところが、上記のような従来の改質装置３５０、４４０は、燃料気体を改質させる過程において非効率的という問題点を有する。その理由は、燃料気体が改質部の流路３６２、４１０を通過する過程で改質作用が行われるが、上記のような従来の改質装置３５０、４４０では燃料気体が限られた面積の触媒層３６４、４１２と反応することになり、それによって燃料気体の水素への転換率が低くなるからである。
【００１５】
【特許文献１】特開２００３−０４８７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためのものであって、その目的は、改質部のマイクロ流路内に粒子型の触媒を均一かつ高密度に充填できることにより、燃料と触媒粒子の反応表面積を大きくして高効率の改質効果を得ることが出来るマイクロ流路内の触媒充填方法及びこれを用いて作られた改質器を提供することにある。
【００１７】
そして本発明は、高密度に充填され向上された改質効果が得られることにより、燃料電池の小型化を成して電源出力密度を高めることが出来るマイクロ流路内の触媒充填方法及びこれを用いて作られた改質器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記のような目的を達成すべく、本発明の第１の形態として、燃料電池用改質器の流路の内部に触媒を充填する方法において、触媒および液体の混合液を流路内に流し込む段階と、流路内で触媒を沈殿させて、触媒を高密度にする段階と、流路内の触媒を乾燥させる段階とを含んで流路内に触媒を充填することを特徴とするマイクロ流路内の触媒充填方法が提供される。
【００１９】
また、上記触媒充填方法において、流し込む段階は、改質器の流路内に液体を充填し、その状態で流路内に触媒と液体の混合液を注入してもよい。
【００２０】
更に、上記触媒充填方法において、高密度にする段階は、流路内に触媒と液体の混合液を注入した状態で改質器を傾けて重力を用いて高密度にしてもよい。
【００２１】
また更に、上記触媒充填方法において、流し込む段階および高密度にする段階を複数回繰り返した後、乾燥させる段階を実行してもよい。
【００２２】
また更に、上記触媒充填方法において、乾燥させる段階の後、流路に混合液を流し込んだ触媒注入口を、流路を形成する材料と同一の材料で閉鎖する段階をさらに含んでもよい。
【００２３】
また、本発明の第２の形態として、触媒が充填された燃料流路を備えることを特徴とする燃料電池用改質器が提供される。
【００２４】
上記燃料電池用改質器は、燃料流路に液体燃料を供給する燃料導入口、水素を外部に排出する水素排出口、および、燃料流路に対して触媒を注入する触媒注入口を有してもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によると、改質部のマイクロ流路内に粒子型の触媒を均一かつ高密度に充填できることにより、燃料と触媒粒子の反応表面積を大きくして高効率の改質効果が得られる。
【００２６】
そして本発明は、改質器の流路内に触媒がエアーポケット無しで高密度に充填され向上された改質効果が得られることにより、燃料電池の小型化をさらに成し遂げることができ、電源出力密度をさらに高めることが出来る効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の好ましい実施例を、図面を参照してより詳細に説明する。
本発明によるマイクロ流路内の触媒充填方法は、改質器１のマイクロ流路４２内に粒子型の触媒４６を均一かつ高密度に充填することが出来る。
【００２８】
本発明によるマイクロ流路内の触媒充填方法が適用される改質器１の一例が図３に図示されている。
【００２９】
このような改質器１は、単なる本発明が適用される一例であり、本発明がこのような改質器１のみに限定されるのではない。
【００３０】
本発明が適用される改質器１は、内部にマイクロ流路４２を形成した基板１０を具備する。上記基板１０は、シリコン、金属、ガラス、セラミック及び耐熱プラスチックなどを使用することができ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）工程を用いて内部には基板１０の一面に凹んだマイクロ流路４２と隔壁が様々な形態で形成されている。
【００３１】
従って、上記基板１０の一側面に形成された凹んだマイクロ流路４２には燃料導入部２０と蒸発部３０及び改質部４０が配置される。
【００３２】
上記基板１０の一側には、マイクロ流路４２内に燃料を流入させる燃料導入部２０が形成され液体燃料を供給する。そして上記燃料導入部２０に連続して液体燃料を加熱させて気体状態に気化させる蒸発部３０が形成される。上記蒸発部３０は、液体状態の燃料を気化させ改質反応が良好に行われるようにするものであって、上記燃料導入部２０に連続して位置する。
【００３３】
上記蒸発部３０は熱源として加熱手段３６を具備し、上記加熱手段３６は基板１０の下部面に電気的抵抗回路がパターンで形成され上記基板１０を通じてその上部側の蒸発部３０を加熱させる。
【００３４】
また本発明は、上記蒸発部３０の後流側に上記基板１０内で燃料が通過するマイクロ流路４２を形成し、吸熱反応を通じて燃料を水素ガスに改質させる改質部４０が形成される。上記改質部４０は、そのマイクロ流路４２内に燃料気体を水素気体に改質させる粒子型触媒４６が充填された構造である。
【００３５】
上記改質部４０では、燃料を触媒反応によって水素が豊富な改質ガスに転換することになり、上記改質部４０の粒子型触媒４６としてはＣｕ／ＺｎＯまたはＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３が使用され、上記触媒４６はマイクロ流路４２内に形成された触媒フィルタ５０によって改質部４０内の空間に保持される。上記触媒フィルタ５０は、好ましくはマイクロ流路４２の入り口側と出口側に形成されることが出来る。
【００３６】
そして本発明は、上記基板１０のマイクロ流路４２を覆うカバー１００を具備する。上記カバー１００は、基板１０と同一の材料またはパイレックス（ｐｙｒｅｘ、登録商標）ガラスから成るものであって、基板１０に接合されて上記蒸発部３０と改質部４０を内部に形成する。
【００３７】
本発明による燃料電池用改質器は、図３に図示された通り、少なくとも一つの触媒注入口１３０を含む。また、上記触媒注入口１３０は、改質部４０に形成される。
【００３８】
本発明による燃料電池用改質器は、カバー１００の燃料導入部２０側に液体燃料を提供するための燃料導入口１１０が形成され、燃料気体が改質処理されて発生した水素を外部へ排出するための水素排出口１２０を具備し、上記改質部４０の内部に粒子型の改質触媒４６を充填するための触媒注入口１３０を形成する。
【００３９】
このような改質器１に対して本発明によるマイクロ流路内の触媒充填方法は、先ず液体を用いてマイクロ流路４２内に触媒４６を充填する段階が行われる。ここで用いる液体は、人体に無害であり且つ触媒と反応しない液体を任意に選択できる。具体的には、下記の実施例で使用する水の他、エタノール、メタノール等を例示できる。
【００４０】
これは図４（ａ）に図示された通り、改質器１を水槽（未図示）に入れて内部のマイクロ流路４２に水を満たす。このような場合、水は水注入口を通じて改質器１の内部のマイクロ流路４２に流入されることができ、上記水注入口は触媒注入口１３０、燃料導入口１１０または水素排出口１２０のうち何れか一つから成ることが出来る。
【００４１】
本発明によるマイクロ流路内の触媒充填方法は、触媒４６を充填する段階で触媒注入口１３０を通じて上記改質器１の内部に触媒４６を充填することになるが、この際に図４（ｂ）に図示された通り、上記改質器１のマイクロ流路４２内に触媒４６と水の混合液を注射器１４０などを用いて注入する。
【００４２】
上記マイクロ流路４２内に水を充填する理由は、上記マイクロ流路４２から空気を除去するためであり、もしマイクロ流路４２内に空気が存在すると触媒４６の稠密な充填は不可能となる。
【００４３】
上記のように水を充填した後には、上記触媒４６と水の混合液が触媒注入口１３０を通じて改質器１のマイクロ流路４２内部へ注入され、一定量が注入された後には上記マイクロ流路４２内の触媒４６に一方向の圧力を加えて高密度に充填する段階が行われる。
【００４４】
このような場合、上記改質器１の内部に高密度で触媒４６を充填するため、上記改質器マイクロ流路４２内に触媒４６と水の混合液を一定量注入した状態で、改質器１を一定角度θに傾けて重力を用いて充填することになる。
【００４５】
このように、水槽内で改質器１を傾けると、触媒４６の比重が水の比重より大きいため、触媒４６は傾いた改質器のマイクロ流路４２内から沈殿して、図４（ｃ）に図示された通り、改質器１の一側を高密度に満たす。このような場合、触媒４６は水との相互作用によってその角のある外面が相互大きい摩擦なしで、順番に沈殿して次々と高密度に充填され、その間にエアーポケットのように触媒４６が空いた状態の空間を形成しない。このような過程で上記触媒４６のより均一な充填のために上記改質器１には外部から上記改質器を軽く叩くなどの衝撃を与えたり、または振動を加えるなどの外力を与えることが出来る。
【００４６】
このような衝撃または振動などの外力は、改質器のマイクロ流路４２内で触媒４６粒子に対してさらに一方向に充填されるようにする作用力を提供して、より高密度に充填可能である。
【００４７】
そしてこのように１次的に改質器１のマイクロ流路４２内に触媒４６を充填した後は、上記改質器のマイクロ流路４２内に触媒４６と水の混合液をさらに注入し、図４（ｄ）及び図４（ｅ）に図示された通り、改質器１を傾ける過程を繰り返して内部のマイクロ流路４２を数回にわたって充填する。上記のように触媒４６を充填した後は上記触媒４６をマイクロ流路４２内で乾燥させる段階が行われる。
【００４８】
上記マイクロ流路４２内で触媒４６を乾燥する段階は、上記改質器を水槽から取り出した状態で上記改質器１を傾けてそのまま乾燥させるか、高温の乾燥板の上で熱を加えて水分を除去することが出来る。
【００４９】
また本発明は、上記のようにマイクロ流路４２内の触媒４６を乾燥した後、最終的に上記触媒注入口１３０をカバー材料と同じ材料で閉鎖させる段階を含む。
【００５０】
上記のように構成された本発明によるマイクロ流路内の触媒充填方法は、水を用いてマイクロ流路４２内に触媒４６を充填するため、マイクロ流路４２内において触媒４６粒子の相互間の摩擦が最小化される。従って、改質器１のマイクロ流路４２内には触媒４６のない空いた状態のエアーポケットなどが形成されず、順番にマイクロ流路４２内で沈殿されて高密度に充填される。
【００５１】
またこのような過程において、改質器１に衝撃または振動などの外力を加えると、改質器のマイクロ流路４２内で触媒４６粒子に対してさらに一方向に力が加わることになり、より高密度に充填可能である。
【００５２】
そして、上記のように改質器のマイクロ流路４２内に触媒４６と水の混合液を注入した状態で重力を用いて充填し、上記改質器のマイクロ流路４２内に触媒４６と水の混合液をさらに注入した後、改質器１を傾ける過程を繰り返して充填すると、自然に上記改質器のマイクロ流路４２内にはエアーポケットのような空いた空間が無く高密度に触媒４６充填が行われる。
【００５３】
また本発明は、上記マイクロ流路４２内の触媒４６を乾燥した後、上記触媒注入口１３０を基板またはカバー材料と同じ材料で閉鎖させて改質器を完成する。
【００５４】
図５には、本発明によって制作された改質器１が図示されている。
図５（ａ）は、触媒４６粒子が充填されない状態の改質器１が図示されている。
【００５５】
このような改質器１は、図５（ｂ）に図示された通り、両側が開けている多数の平行構造のマイクロ流路４２内に触媒４６が充填されることができ、図５（ｃ）に図示された通り、蛇形（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）構造のマイクロ流路４２内に触媒４６が充填可能なものである。
【００５６】
このような構造において改質部４０に形成された触媒注入口１３０は、触媒充填後に閉鎖される。
【００５７】
このように本発明は、マイクロ流路内の触媒充填方法を通じて改質器１内の流路４２幅が５００μｍの場合にも稠密に充填することが出来た。
【００５８】
このように本発明は、触媒４６をマイクロ流路４２内に稠密に充填できることにより、燃料と触媒４６との反応表面積を大きく増加させることが出来る。またこのように稠密に充填できることにより、従来の改質器１より比較的低い作動温度である１５０℃〜２００℃で高効率の改質効果を得ることができ、携帯電話のような小型電子機器に適合に使用可能である。
【００５９】
上記の本発明は、特定の実施例に関して図示され説明されたが、これは単なる例示として本発明を説明するため記載されたもので、本発明をこのような特定構造で制限するのではない。当業界において通常の知識を有する者であれば、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変形できることが分かる。しかし、このような修正及び変形構造は、何れも本発明の権利範囲内に含まれることを明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来の技術による薄型改質器を図示した断面図である。
【図２】従来の技術による薄型改質器に触媒層をコーティングする段階を順番通り図示した工程フロー図である。
【図３】本発明によるマイクロ流路内の触媒充填方法が適用される改質器を図示した分解斜視図である。
【図４】本発明によるマイクロ流路内の触媒充填方法の段階を順番通り図示した工程フロー図である。
【図５】本発明によるマイクロ流路内の触媒充填方法によって触媒が充填された改質器を図示した構成図として、（ａ）触媒充填前の改質器を図示した平面図、（ｂ）平行型流路を有する改質器に触媒が充填された状態を図示した平面図、（ｃ）蛇形流路を有する改質器に触媒が充填された状態を図示した平面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  改質器、
１０  基板
２０  燃料導入部
３０  蒸発部
３６  加熱手段
４０  改質部
４２  マイクロ流路
４６  触媒
５０  触媒フィルタ
１００  カバー
１１０  燃料導入口
１２０  水素排出口
１３０  触媒注入口
３５０、４４０  改質装置
３５２  蒸発室
３５４  空洞
３５６  ヒータ
３５８  燃料噴射手段
３６０  混合液
３６２  マイクロ流路
３６４  改質触媒
４００  シリコンウェーハ
４０２  薄膜ヒータ
４０４  電極層
４０６  絶縁膜
４１０  流路
４１１  べーマイト（Ｂｏｅｈｍｉｔｅ）層
４１２  触媒層
４１４  フォトレジスト（ｄｒｙ−ｆｉｌｍ  ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）
４２０  パイレックス（ｐｙｒｅｘ、登録商標）ガラス基板
【図１】
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【図２】
2007287695.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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