(57)【要約】【課題】壁面に触媒を固定化したマイクロ流路内において、物質移動を積極的に促進させ、高効率で混合及び反応させることができる。【解決手段】  複数種類の反応流体同士を混合又は反応させるための微細な流路２０Ａを備えたマイクロデバイス１０であって、微細な流路２０Ａが曲がり部３２を１以上備えると共に、前記流路全体のうちの少なくとも曲がり部３２の内壁面に反応に関与する触媒２１が固定化されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の反応流体同士を混合又は反応させるための微細な流路を備えたマイクロデバイスであって、前記微細な流路が曲がり部を１以上備えると共に、前記流路全体のうちの少なくとも前記曲がり部の内壁面に前記反応に関与する触媒が固定化されていることを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項２】
前記曲がり部が、３以上備えられたことを特徴とする請求項１のマイクロデバイス。
【請求項３】
前記微細な流路の曲がり部が、該曲がり部を流れる流体のディーン数Ｄｅが１０以上となるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２のマイクロデバイス。
【請求項４】
前記微細な流路の温度を制御するための温度制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１のマイクロデバイス。
【請求項５】
前記微細な流路が、等価直径が１ｍｍ以下のマイクロ流路であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１のマイクロデバイス。
【請求項６】
マイクロデバイスを用いた触媒反応方法であって、曲がり部を１以上備え、少なくとも該曲がり部の内壁面に前記反応に関与する触媒が固定化された微細な流路に、反応流体を流して触媒反応を行わせることを特徴とするマイクロデバイスを用いた触媒反応方法。
【請求項７】
前記微細な流路の曲がり部におけるディーン数Ｄｅが１０以上になるように運転することを特徴とする請求項６のマイクロデバイスを用いた触媒反応方法。
【請求項８】
前記微細な流路内の温度を調節して、前記微細な流路内を流れる反応流体を反応させることを特徴とする請求項６又は７のマイクロデバイスを用いた触媒反応方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法に係り、特に、壁面に触媒を固定化させたマイクロ流路において効率的に触媒反応を行うマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ空間内では単位体積あたりの表面積が大きくなる特徴から、反応流体の反応界面を多く形成でき、温度制御も容易にできるので、流体間の反応や混合の高効率化又は高速化ができる技術として注目されている。
【０００３】
従来、触媒反応の分野においては、反応表面積を増加させることを目的として、マイクロ流路内に触媒を担持させる方法が検討されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、触媒や酵素等が固定化されている多孔質構造体をマイクロ流路内の一部に構築する提案がなされている。これによれば、従来よりも触媒や酵素等を大量に固定化でき、高効率なマイクロデバイスを実現できると記載されている。
【０００５】
また、特許文献２では、微細な流路の内壁表面に光触媒活性を有する物質の薄膜を備えたマイクロデバイスが提案されている。これによれば、流路の内壁面への流体成分の付着堆積が抑制され、且つ光触媒の酸化作用により流路内を常に清浄な状態に維持できるとされている。
【０００６】
しかし、上記従来例の方法では、マイクロ流路内における反応表面積を向上させることはできるが、流路のマイクロ化に伴う問題があった。
【０００７】
特許文献１のような方法では、マイクロ流路内に多孔質構造体を入れる作業が必要であり、生産上効率が悪いという問題があった。また、流路の微細化に伴い反応流体が層流を形成するため、触媒を固定化した壁面近傍方向への物質移動の推進力が分子拡散のみになる。特許文献２の方法では、触媒を固定化した壁面近傍は境界層を形成するので、物質移動がされにくい。従って、流路内において触媒反応を高効率で行うことができなかった。
【０００８】
しかし、特許文献２において問題になった壁面近傍の物質移動速度の低下は、マイクロデバイスの微細化にて避けられないことではない。流路を曲げることによりディーン渦と呼ばれる渦が発生することが知られている。非特許文献１では、屈曲構造を有するマイクロ流路における流体挙動とそのシミュレーションが検討されている。
【特許文献１】特開２００４−３１７１２８号公報
【特許文献２】特開２００４−２０２３３６号公報
【非特許文献１】化学工学会第６８年会論文第３０巻第３号（２００４）ｐ３４１「屈曲構造を有するマイクロ流路における流体挙動とそのシミュレーション」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、非特許文献１では、シミュレーションの結果を、微細な流路内で行う触媒反応に適用するとの目的又は考察も明示されていない。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、壁面に触媒を固定化したマイクロ流路内において、物質移動を積極的に促進させ、高効率で混合及び反応させることができるマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応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】
【００１１】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、複数種類の反応流体同士を混合又は反応させるための微細な流路を備えたマイクロデバイスであって、前記微細な流路が曲がり部を１以上備えると共に、前記流路全体のうちの少なくとも前記曲がり部の内壁面に前記反応に関与する触媒が固定化されていることを特徴とするマイクロデバイスを提供する。
【００１２】
微細な流路は、反応流体の反応界面を多くすることができ、且つ温度制御も容易であるとの大きなメリットがある反面、反応流体の流れが層流となるため、微細な流路の内壁面に触媒を固定化して反応（例えば触媒反応）を行わせようとした場合に、層流のために触媒と反応流体との接触が促進されにくいというデメリットがある。即ち、層流を形成し易い微細な流路は、反応流体に熱を付与したり、触媒に光を付与して活性化したりして反応を促進することに関しては優れているが、固体である触媒と液体又は気体である反応流体との接触効率を上げて反応を促進することに関しては劣っている。従って、層流が形成され易い微細な流路であっても、触媒と反応流体との接触を促進できれば反応を著しく促進することが可能となる。
【００１３】
本発明は係る観点から発明したものであり、請求項１によれば、複数種類の反応流体同士を混合又は反応させるための微細な流路を備えたマイクロデバイスであって、微細な流路が曲がり部を１以上備えると共に、流路全体のうちの少なくとも曲がり部の内壁面に反応に関与する触媒が固定化されている。このような曲がり部を有する微細な流路に反応流体を流すことにより、反応流体が曲がり部を通過する際に流路の幅方向に慣性力が生じる。これにより、壁面に触媒を固定化したマイクロ流路内において、流体の物質移動を積極的に促進させることができ、効率的に混合及び反応させることができる。
【００１４】
ここで、曲がり部とは、２次元的又は３次元的に流路が曲がっている部分のことをいい、湾曲部、屈曲部等が含まれる。
【００１５】
請求項２は請求項１において、前記曲がり部が、３以上であることを特徴とする。これにより、本発明の効果が更に良好に得られる。
【００１６】
請求項３は請求項１又は２において、前記微細な流路の曲がり部が、該曲がり部を流れる流体のディーン数Ｄｅが１０以上となるように構成されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３によれば、微細な流路の曲がり部が、該曲がり部を流れる流体のディーン数Ｄｅが１０以上となるように構成される。すなわち、曲がり部の流路の内径、流路長、及び曲率半径Ｒが、流す流体の種類に応じてディーン数Ｄｅが１０以上となるように構成されることが好ましい。これにより、壁面に触媒を固定化したマイクロ流路内において、物質移動を積極的に促進させ、高効率で混合及び反応させることができる。ここで、ディーン数Ｄｅは下記式で表される。
【００１８】
Ｄｅ＝Ｒｅ（Ｄｅｑ／２Ｒ）１／２
（Ｒｅ：レイノルズ数、Ｄｅｑ：流路の等価直径（ｍ）、Ｒ：曲率半径（ｍ））
請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記微細な流路の温度を制御するための温度制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項４によれば、微細な流路の温度を制御するための温度制御手段を備えるので、流路内で触媒反応をより効率的に行うことができる。ここで、温度制御手段としては、ジャケット式金属薄膜ヒータ、温調ジャケット、流路に沿って形成された熱媒体流路等を好ましく使用できる。
【００２０】
請求項５は請求項１〜４の何れか１において、前記微細な流路が、等価直径が１ｍｍ以下のマイクロ流路であることを特徴とする。
【００２１】
請求項５によれば、微細な流路が、等価直径が１ｍｍ以下のマイクロ流路であるので、流路内で触媒反応をより高効率で行うことができる。ここで、微細な流路が、等価直径が０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００２２】
本発明の請求項６は前記目的を達成するために、マイクロデバイスを用いた触媒反応方法であって、曲がり部を１以上備え、少なくとも該曲がり部の内壁面に前記反応に関与する触媒が固定化された微細な流路に、反応流体を流して触媒反応を行わせることを特徴とするマイクロデバイスを用いた触媒反応方法を提供する。
【００２３】
請求項６によれば、マイクロデバイスを用いた触媒反応方法であって、曲がり部を１以上備え、少なくとも該曲がり部の内壁面に反応に関与する触媒が固定化された微細な流路に、反応流体を流して触媒反応を行わせる。これにより、壁面に触媒を固定化したマイクロ流路内において、物質移動を積極的に促進させ、高効率で混合及び反応させることができる。
【００２４】
ここで、触媒反応としては、例えば、燃料電池用の燃料改質反応や発電反応にみられるＰｔ、Ｒｕ、Ｎｉ等の触媒上における反応や、酸素還元反応等が挙げられる。
【００２５】
請求項７は請求項６において、前記微細な流路の曲がり部におけるディーン数Ｄｅが１０以上になるように運転することを特徴とする。
【００２６】
請求項７によれば、微細な流路の曲がり部におけるディーン数Ｄｅが１０以上になるように運転する。すなわち、流路に流す流体のレイノルズ数Ｒｅを構成する物性（流体の密度、粘度、流速等）を上記ディーン数Ｄｅの範囲を満たすように運転することが好ましい。
【００２７】
これにより、壁面に触媒を固定化したマイクロ流路内において、物質移動を積極的に促進させ、高効率で混合及び反応させることができる。
【００２８】
請求項８は請求項６又は７において、前記微細な流路内の温度を調節して、前記微細な流路内を流れる反応流体を反応させることを特徴とする。
【００２９】
請求項８によれば、微細な流路内の温度を調節して、微細な流路内を流れる反応流体を反応させる。従って、壁面に触媒を固定化したマイクロ流路内において、物質移動を積極的に促進させ、且つ触媒反応をより高効率で行うことができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、壁面に触媒を固定化したマイクロ流路内において、物質移動を積極的に促進させ、高効率で混合及び反応させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、添付図面に従って、本発明に係るマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法の好ましい実施の形態について説明する。
【００３２】
以下において「マイクロデバイス」とは、微細な流路（マイクロチャンネル）で流体を流し、および／またはそこで合流させ、それに起因する混合、反応、熱交換等の操作を行うための装置の総称である。
【００３３】
また、その微細な流路（マイクロチャンネル）またはそこを通過するストリームの直径または等価直径（チャンネルまたはストリームの断面が円形でない場合）は、１ｍｍ以下であり、等価直径が０．８ｍｍ以下であることがより好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００３４】
図１は、本発明に係るマイクロデバイス１０の第一実施形態の構成を説明する平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図であり、図３は、図１の部分拡大断面図である。このうち、図３は、第１液溜め部２４（図１の左上部点線内）を示す。
【００３５】
すなわち、マイクロデバイス１０は、主に、板状体の表面に等価直径が１ｍｍ以下の長溝２０が形成されている基板１２と、この基板１２の表面に密着固定され、長溝を覆うことにより基板１２に微細な流路２０Ａを形成する覆い板２２と、を備えている。
【００３６】
上記の長溝２０により形成される微細な流路２０Ａは、曲がり部３２…を複数備えており、平面視で数段階折り重なった蛇行状となっている。この流路２０Ａの一端は、覆い板２２に形成された円柱状空洞部である第１液溜め部２４、第２液溜め部２６、及び第３液溜め部２８と反応流体供給路１４Ａ、１６Ａ、１８Ａを介して連通しており、流路２０Ａの他端は、覆い板２２に形成された円柱状空洞部である第４液溜め部２９と連通している。
【００３７】
微細な流路２０Ａの内壁面には、図２に示されるように、触媒層２１が形成及び固定されている。触媒層２１の厚さは、１〜５０μｍであることが好ましい。
【００３８】
触媒層２１の種類としては、各種固体触媒（金属触媒や金属化合物触媒等）がある。例えば、金属触媒は通常、触媒活性、耐久性、触媒の効率的利用等のため、触媒活性のないアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やシリカ（ＳｉＯ2）などの上に分散させて使用することが好ましい。
【００３９】
触媒の具体的な例としては、電極反応に使用される電極触媒や光触媒等があり、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金ルテニウム合金（Ｐｔ／Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫酸ジルコニア等が挙げられる。
【００４０】
上記の触媒層２１の形成方法としては、ＣＶＤ法、グロー放電法、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、ゾル−ゲル法等がある。また、触媒懸濁液を長溝２０の壁面に噴霧塗布（スプレー塗布）する方法、長溝２０以外の部分をマスキングして触媒懸濁液に浸漬して塗布するディップコーティング法、直接長溝２０に刷毛塗りする方法等があり、いずれも適用可能である。また、均一な膜質を確保でき、密着性も高く、実用的な処理時間で形成可能である等の点から、スパッタリング法を採用することが好ましい。
【００４１】
曲がり部３２の形状は、図１に示されるように、湾曲形状であることが好ましいが、非曲線状に屈曲した形状であってもよい。
【００４２】
曲がり部３２においては、流れる流体の粘度、密度等の物性や流速等の運転条件にも依存するが、流路の内径、流路の長さ、曲率半径等がディーン数Ｄｅが１０以上を満たすように構成されることが好ましい。
【００４３】
ここで、ディーン数Ｄｅは下記式で表される。
【００４４】
Ｄｅ＝Ｒｅ（Ｄｅｑ／２Ｒ）1/2 
（Ｒｅ：レイノルズ数、Ｄｅｑ：流路の等価直径（ｍ）、Ｒ：曲率半径（ｍ））
このような範囲とすることにより、曲がり部３２を流れる流体が、円弧の中心から外側方向に働く慣性力を受けて強制的に混合される。また、壁面に形成された触媒層２１との接触面積（回数）も増加する。
【００４５】
上記のような最適なディーン数Ｄｅの範囲は、流動解析ソフトとして既に日本で市販されて流動解析ソフトであるアールフロー社製の数値解析ソフト、Ｒ−Ｆｌｏｗを用いて予めシミュレーションを行うことによって把握することができる。
【００４６】
また、曲がり部の形状は、楕円形状又は非曲線状の曲がり部でもよい。また、曲がり部の数も図１の例に限定されることはなく、１以上であればよい。
【００４７】
基板１２の表面に形成する長溝２０の断面積は、等価直径が１ｍｍ以下であることが好ましく、０．８ｍｍ以下であることがより好ましく、０．５ｍｍ以下であることが更に好ましい。また、流路の長さは、触媒反応が終了するに足る長さに設定され、反応の種類によって異なる。
【００４８】
この長溝２０の断面形状は、特に制限はなく、矩形（正方形、長方形）、台形、Ｖ形、半円形等、各種の形状が採用できる。
【００４９】
基板１２の表面（長溝が形成される面）及び覆い板本体２２の裏面（基板１２に密着する面）は、流路２０Ａの形成、及び液漏れの防止等の点より、充分な平坦性を確保できていることが好ましい。
【００５０】
マイクロデバイス１０において、少なくとも流路２０Ａと対向する領域に温度制御手段３０を設けることが好ましい。これにより、高効率で触媒反応を行わせることができる。
【００５１】
温度制御手段３０としては、公知公用の温度制御手段を使用できるが、例えば、金属薄膜ヒータ、温調コイル、温調ジャケット等が好ましく使用できる。
【００５２】
図４及び５は、温度制御手段３０の変形例を説明する図である。このうち、温度制御手段３０を備えたマイクロデバイス１０の上面図であり、図５は、図４のＡ−Ａ’線断面図である。
【００５３】
図４及び５に示されるように、温度制御手段である熱媒体流路プレート３０が、マイクロデバイス１０に隣接して設けられている。
【００５４】
熱媒体流路プレート３０は、本体部材３４と底部材３６とで構成され、本体部材３４に所望温度の熱媒体を流す熱媒体流路３８Ａが流路２０Ａに沿って形成されている（図４の点線参照）。また、熱媒体流路３８Ａの流路幅Ｗ２は、流路２０Ａの流路幅Ｗ１よりも広く形成されている。
【００５５】
また、熱媒体流路の流路幅Ｗ２が、下流方向に縮流するように構成されてもよい。これにより、流路２０Ａの上流側から下流側にかけた全領域において、熱媒体流路３８Ａからの伝熱速度を均一化することができる。ここで、熱媒体供給手段としては、各種ポンプを使用できるがマイクロポンプを用いることが好ましい。
【００５６】
マイクロデバイス１０において、流路２０Ａ内に光を照射するための図示しない光照射手段を設けることが好ましい。これにより、光触媒を用いた反応を行わせることができる。
【００５７】
光照射手段としては、例えば、キセノンランプ、蛍光灯、紫外線ランプ、レーザー等の各種光源だけでなく自然光を取込む機構も採用できる。
【００５８】
自然光を取込む方法としては、マイクロデバイス１０を構成する部材(基板１２及び／又は覆い板２２)の材質の一部を透明にする方法がある。このような材料として、各種樹脂板、より具体的には、ポリジメチルスルホキシド（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）等、各種樹脂膜、より具体的には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等が採用できる。また、樹脂以外には強化ガラスや石英ガラス等のガラス類やサファイア等も採用できる。
【００５９】
マイクロデバイス１０を構成する部材（基板１２及び覆い板２２を含む）の材質としては、強度が高く、腐食防止性があり、反応流体の流動性を高くするものが好ましい。例えば、金属（鉄、アルミ、ステンレス鋼、チタン、その他の各種金属）、樹脂（フッ素樹脂、アクリル樹脂等）、ガラス（石英等）、セラミックス（シリコン等）などが好ましく使用できる。また、プラズマＣＶＤ法などの表面改質処理を行って、ＳｉＮ４、ＳｉＮ２、Ａｌ２Ｏ３などの皮膜をマイクロデバイス１０の構成部材の表面に形成して、耐食性、流動性を向上させてもよい。
【００６０】
マイクロデバイス１０を製作するには、微細加工技術が適用される。適用可能な微細加工技術としては、例えば、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ（Ｒｏｅｎｔｇｅｎ−Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ Ｇａｌｖａｎｉｋ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８（商品名）を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ））、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるシリコンの高アスペクト比加工法、Ｈｏｔ Ｅｍｂｏｓｓ加工法、光造形法、レーザー加工法、イオンビーム加工法、及びダイヤモンドのような硬い材料で作られたマイクロ工具を用いる機械的マイクロ切削加工法等がある。これらの技術を単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。好ましい微細加工技術は、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ）、及び機械的マイクロ切削加工法である。一般的に、マイクロデバイス１０としては、ＳＵＳ（ステンレス鋼）製の部材を微細放電加工して微細流路を形成することが多いが、使用する材質に応じた加工方法で加工することが好ましい。
【００６１】
部材間の接合方法は、高温加熱による材料の変質や変形による流路等の破壊を伴わず、寸法精度を保った精密な方法が望ましく、製作材料との関係から固相接合（例えば圧接接合や拡散接合等）や液相接合（例えば、溶接、共晶接合、はんだ付け、接着等）を選択することが好ましい。例えば、材料にシリコンを使用する場合にシリコン同士を接合するシリコン直接接合や、ガラス同士を接合する融接、シリコンとガラスを接合する陽極接合、金属同士を接合する拡散接合等が挙げられる。セラミックスの接合については、金属のようなメカニカルなシール技術以外の接合技術が必要であり、アルミナに対してｇｌａｓｓ  ｓｏｌｄｅｒなる接合剤をスクリーン印刷で、８０μｍ程度の膜厚に印刷し、圧力をかけずに４４０〜５００℃で熱処理する方法がある。また、新しい技術として、表面活性化接合、水素結合を用いた直接接合、ＨＦ（フッ化水素）水溶液を用いた接合等がある。
【００６２】
例えば、本実施形態におけるマイクロデバイス１０は、次のようにして製造することができる。図６は、シリコンウエハを用いたマイクロデバイス１０の製造工程の一例を示す模式図である。
【００６３】
すなわち、図６(ａ)に示されるように、基板１２の板材として洗浄したシリコンウエハを用い、ドライプラズマエッチングにより、一方の主面に長溝２０’を形成する。
【００６４】
次いで、図６(ｂ)に示されるように、この主面側にスパッタリング法で触媒層２１を成膜する。
【００６５】
次いで、図６(ｃ)に示されるように、マスキングによって長溝２０’の壁面の触媒層２１を形成する。尚、この製造工程では、研磨により長溝２０’の壁面以外の不用な触媒層２１を除去する方法も採用できる。
【００６６】
その後、図６（ｄ）に示されるように、シリコンウエハ１２の長溝２０側の面に他のシリコンウエハ２２を直接接合で接合して一体化する。ここで、シリコンウエハ２２の流路用溝２０に対抗する領域に、あらかじめ選択的に触媒層２１を成膜しておくことが好ましい。
【００６７】
そして、接合一体化された板材をチップ化することにより、図1に示すマイクロチャンネルチップを得ることができる。
【００６８】
本実施形態で使用される反応流体としては、液体、気体、固液混相流体、気液混相流体等が含まれる。
【００６９】
次に、本発明に係るマイクロデバイス１０の作用について説明する。図７は、図１のマイクロデバイス１０のＡ−Ａ’線断面模式図である。尚、本実施形態では、反応流体Ｌ１と、反応流体Ｌ２との２液の場合について図１及び図７を用いて説明する。
【００７０】
図１に示されるように、反応流体Ｌ１が流体供給手段２５（ポンプ等）により反応流体供給路１４Ａに供給され、反応流体Ｌ２も同様に反応流体供給路１６Ａに供給される。反応流体Ｌ１、Ｌ２は、それぞれの反応流体供給路１４Ａ、１６Ａを流れて、流路２０Ａで合流する。ここで、反応流体Ｌ１、Ｌ２の流速を、ディーン数Ｄｅが１０以上となるように制御することが好ましい。
【００７１】
次いで、合流した反応流体Ｌ１、Ｌ２同士は、流路の壁面に固定された触媒層２１との接触界面上で触媒反応がおこる。ここで、温度制御手段３０により触媒反応に適した温度に加熱されている。
【００７２】
このとき、流路２０Ａの曲がり部３２では、層流を形成していた反応流体Ｌ１、Ｌ２は、円弧の中心から外側方向に働く慣性力を受ける。これにより、図７に示されるように、円弧の外側領域を流れる反応流体Ｌ１が内側領域に（矢印Ｐ方向に）物質移動しやすくなる。
【００７３】
これにより、反応流体Ｌ１、Ｌ２の混合性能が向上し、高効率で触媒反応が行える。特に、壁面近傍は境界層が形成されるため、流路２０Ａの幅方向で濃度分布が生じやすいが、曲がり部３２…で働く慣性力により強制的に物質移動が促進されるので、流路２０Ａ内での濃度分布が減少する。また、触媒層２１との接触界面量も増加する。
【００７４】
このように、反応流体Ｌ１、Ｌ２が、曲がり部３２を繰り返し流れることにより、相互の物質移動が更に促進されると共に、触媒層２１との接触界面も増加するので高効率で触媒反応が行える。
【００７５】
尚、本実施形態では、反応流体供給路１４Ａ、１６Ａからそれぞれ反応流体Ｌ１、Ｌ２を供給して、流路２０Ａで合流させながら、触媒反応を行わせる例について説明したが、あらかじめ反応流体Ｌ１、Ｌ２を混合しておき（ミキシング工程）、この混合反応流体Ｌ３を流路２０Ａに供給してもよい。
【００７６】
また、反応流体の種類の数に応じて、液溜め部又は供給口を更に設けて、直接複数種類の反応流体を流路２０Ａに供給できるように構成してもよい。
【００７７】
本実施形態では、曲がり部３２の形状が同じものを数箇所設ける例を示したが、その他の形状でもよい。図８〜１１は、本発明に係るマイクロデバイス１０の変形例を説明する上面図である。
【００７８】
図８は、異なるサイズの曲がり部３２を組み合わせた流路２０Ａを示す上面図であり、図９は、曲がり部３２をクランク状（非曲線状）に形成した流路２０Ａを示す上面図である。また、図１０は、曲がり部３２を連続的につなげた波型形状の流路２０Ａを示す上面図であり、図１１は、曲がり部３２を渦巻状に形成した流路２０Ａを示す上面図である。
【００７９】
このように、用途や設計に応じて、曲がり部３２の形状やサイズを変えて、ディーン数を制御することができる。
【００８０】
[第二実施形態]
図１２は、本発明に係るマイクロデバイス１０の第二実施形態であり、３次元的に微細な流路を形成したマイクロデバイス１０’である。図１２（ａ）は、第二実施形態のマイクロデバイス１０’の構成を説明する斜視図であり、図１２（ｂ）は、マイクロデバイス１０’のＢ−Ｂ’線断面図である。反応流体の流れ方向を矢印Ａで示す。
【００８１】
図１２に示されるように、本実施形態のマイクロデバイス１０’は、円筒状であり、主に、円筒状の外周面に等価直径が１ｍｍ以下の長溝２０が形成されている円筒状内壁１２と、この円筒状内壁１２の外側に密着固定され、長溝２０を覆うことにより基板１２に微細な流路２０Ａを形成する円筒状外壁２２と、を備えている。
【００８２】
円筒状の上面には、反応流体Ｌ１、Ｌ２を供給する第１、第２の供給口２４’、２６’が設けられている。この第１、第２の供給口２４’、２６’は反応流体供給路１４Ａ、１６Ａと連通しており、流路２０Ａに連通している。
【００８３】
流路２０Ａは、円筒壁面に沿って螺旋状に形成されており、円筒の下面に設けられた排出口２８’に連通している。
【００８４】
この螺旋状の流路２０Ａの形状は、本実施形態に限定されることはなく、例えば、マイクロデバイス１０’の円筒径の大きさや断面形状、流路２０Ａの螺旋回数等が、ディーン数Ｄｅが１０以上となるように構成されることが好ましい。
【００８５】
この螺旋状の流路２０Ａの内壁面には、図１２（ｂ）に示されるように、触媒層２１が形成及び固定されている。触媒層２１の種類、形成方法、及び厚さは、前述の第一実施形態と同様である。
【００８６】
円筒状の内壁、外壁の材質については、第一実施形態と同様のものを使用できる。
【００８７】
マイクロデバイス１０’の作製方法や触媒形成方法も、第一実施形態と同様のものを使用できる。
【００８８】
マイクロデバイス１０’の外周面に温度制御手段３０’が設けられることが好ましい。温度制御手段３０’としては、第一実施形態と同様のものを使用できる。
【００８９】
次に、本実施形態のマイクロデバイス１０’の作用について説明する。
【００９０】
先ず、第１の供給口２４’より反応流体Ｌ１をスポイトやポンプ等の流体供給手段（不図示）で供給し、第２の供給口２６’より反応流体Ｌ２を同様に供給する。ここで、反応流体を送液する方法としては、既述した流体供給手段を使用することができる。
【００９１】
反応流体Ｌ１、Ｌ２は、それぞれの反応流体供給路１４Ａ、１６Ａを流れて、流路２０Ａで合流する。ここで、反応流体Ｌ１、Ｌ２の流速を、ディーン数Ｄｅが１０以上となるように制御することが好ましい。
【００９２】
次いで、合流した反応流体Ｌ１、Ｌ２は、螺旋状に形成された流路２０Ａ内を同図で下降するように流れ（矢印）、流路の壁面に固定された触媒層２１との接触界面上で触媒反応がおこる。
【００９３】
このとき、螺旋状の流路２０Ａでは、反応流体Ｌ１、Ｌ２は、円弧の中心から外側の方向に働く慣性力を受ける。従って、円弧の外側領域を流れる反応流体Ｌ１が内側領域に物質移動しやすくなる。
【００９４】
これにより、反応流体Ｌ１、Ｌ２の混合性能が向上し、高効率で触媒反応が行える。特に、壁面近傍は境界層が形成されるため、流路２０Ａの幅方向で濃度分布が生じやすいが、曲がり部３２…で働く慣性力により強制的に物質移動が促進されるので、流路２０Ａ内での濃度分布が減少する。また、触媒層２１との接触界面量も増加する。
【００９５】
このように、反応流体Ｌ１、Ｌ２が、螺旋状の流路２０Ａ内を流れることにより、相互の物質移動が更に促進されると共に、触媒層２１との接触界面も増加するので高効率で触媒反応が行える。
【００９６】
本実施形態では、３次元的な曲がり部を有する流路として、円筒の螺旋状の流路を例に挙げたが、直方体の壁面に沿った螺旋状や、円錐状の壁面に沿った螺旋状の流路（渦巻状流路を３次元化した形状）であってもよい。マイクロデバイスを設置する向きは、本実施形態のように縦置きだけでなく、横置きでもよい。
【００９７】
また、本実施形態では、反応流体供給路１４Ａ、１６Ａからそれぞれ反応流体Ｌ１、Ｌ２を供給して、流路２０Ａで合流させながら、触媒反応を行わせる例について説明したが、あらかじめ反応流体Ｌ１、Ｌ２を混合しておき（ミキシング工程）、この混合反応流体を流路２０Ａに供給してもよい。
【００９８】
次に、本発明に係るマイクロデバイスの応用例について説明する。本発明に係るマイクロデバイスは、例えば、携帯用燃料電池の燃料改質機構に適用することができる。
【００９９】
通常、携帯用燃料電池の燃料としては、持ち運びや管理の容易なアルコールや炭化水素等の液体燃料が使用される。この液体燃料を改質して水素を取り出し、燃料電池の発電反応に利用することが多い。
【０１００】
このような液体燃料（以下、メタノールの例を示す）のから水素を取り出すための燃料改質機構は、部分酸化部及び／又は水蒸気改質部と、ＣＯ酸化処理部とを備えている。
【０１０１】
部分酸化部では、式（１）に示す部分酸化反応により空気とともに供給された燃料から水素を発生させる。
【０１０２】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｏ２／２＋１．８８Ｎ２→ＣＯ２＋２Ｈ２＋１．８８Ｎ２…（１）
この部分酸化反応では、式（２）に示す逆シフト反応が伴い、ＣＯが副次的に生成される。Ｈ２＋ＣＯ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ…（２）
ここで、この部分酸化反応は、３００℃以下に維持するように制御することが好ましい。
【０１０３】
水蒸気改質部では、部分酸化部における部分酸化反応による発熱を熱源として利用し、式（３）に示す水蒸気改質反応により気化された燃料から水素を発生させる。
【０１０４】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２−６０ｋＪ／ｍｏｌ…（３）
ＣＯ酸化処理部では、式（４）に示すＣＯ選択酸化反応により部分酸化部および水蒸気改質部での生成ガス中のＣＯをＣＯ２に酸化する。
【０１０５】
ＣＯ＋Ｏ２／２→ＣＯ２…（４）
ここで、ＣＯ選択酸化反応は、１５０〜２００℃の範囲で行われることが好ましい。
【０１０６】
このような燃料改質機構を構成する部分酸化部、水蒸気改質部及びＣＯ酸化処理部に本発明が適用できる。すなわち、部分酸化部、水蒸気改質部及びＣＯ酸化処理部が、それぞれ基板上に、壁面に触媒を固定した流路状に形成され、且つその流路形状が曲がり部を１以上有している（例えば、図１参照）。
【０１０７】
曲がり部の形状は、ディーン数Ｄｅが１０以上を満たすように構成されることが好ましい。
【０１０８】
部分酸化触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属をアルミナやセラミックに担持させたものが用いられる。水蒸気改質触媒としては、例えば、パラジウム（Ｐｄ）等の金属をアルミナやセラミックに担持させたものが用いられる。ＣＯ酸化触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）等の金属をアルミナやセラミックに担持させたものが用いられる。
【０１０９】
このように構成した部分酸化部、水蒸気改質部及びＣＯ酸化処理部のそれぞれの流路の曲がり部において、燃料や空気、水蒸気等の反応流体が、慣性力を受けて物質移動しやすくなる。これにより、流路の壁面に固定された触媒との接触界面が増加し、高効率で触媒反応を行うことができる。従って、本発明を適用した燃料改質機構によれば、ＣＯ除去された純度の高い水素ガスを高効率で得ることができる。
【０１１０】
本実施形態では、燃料としてはメタノールと水とを用いる例を挙げたが、これに限定されるものではなく、例えばジメチルエーテルと水とを用いてもよく、改質により水素を取り出せる有機燃料であればいずれでもよい。
【０１１１】
また、本実施形態では、燃料改質部を構成する部分酸化部、水蒸気改質部及びＣＯ酸化処理部が、いずれも曲がり部を有する流路である例を示したが、上記のうち何れか１以上が曲がり部を有する流路であってもよい。また、曲がり部の数は多いことが好ましい。
【０１１２】
以上に説明した本発明に係るマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法によれば、壁面に触媒を固定化したマイクロ流路内において、物質移動を積極的に促進させ、高効率で混合及び反応させることができる。
【０１１３】
以上、本発明に係るマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
【０１１４】
例えば、本発明に係るマイクロデバイスに外乱付与手段（例えば、低周波振動付与手段）を設けて、流路２０Ａ内を流れる反応流体に外乱を付与して、反応流体同士の混合性能を向上させることもできる。
【０１１５】
例えば、燃料電池用の燃料改質部に適用するだけでなく、発電部におけるセパレータの流路にも適用できる。また、燃料電池の他にも、各種の触媒反応にも適用できる。
【０１１６】
本発明は、各種の触媒反応を利用した各種リアクタ（微粒子製造装置、燃料電池、燃料改質装置等）、理科実験教材、各種分析・検査器具等にも適用できる。
【実施例】
【０１１７】
次に、実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【０１１８】
流路幅が２００μｍ、流路深さが２００μｍ、流路長さが３０ｍｍである流路２０Ａを備え、覆い板２２が透明である部材からなる図１のマイクロデバイス１０を用いて、ウイルスの不活性化反応を行った。本例のマイクロデバイス１０には、流路２０Ａの曲がり部は５回であり、曲率半径は１２５μmであった。
【０１１９】
触媒としてはＴｉＯ２を使用し、流路２０Ａ壁面に厚み３μｍの触媒薄膜をゾル−ゲル法で形成した。
【０１２０】
光照射手段としては、１００Ｗのキセノンランプを使用した。送液ポンプとしては、扇動式ポンプを使用した。
【０１２１】
流路２０Ａを２５℃に維持するようにヒータを調節し、血液を流路２０Ａに流して反応させた。このとき、曲がり部３２のディーン数Ｄｅが３９となるような流速（０．３３ｍ／ｓ）で血液を流した。
【０１２２】
この結果、上記の流路２０Ａに血液を送液すると、血液中のウイルスが不活性化することが解った。
【０１２３】
比較例１として、曲がり部を有しない流路において同様の実験を行った。即ち、流路幅、深さ、及び長さは上記実施例と同じであるが、曲がり部のない一直線の流路を使用した。その他の条件（温度、懸濁液の組成等）は、上記実施例と同様とした。
【０１２４】
この結果、血液中のウイルスが不活性化しないことが解った。これより、曲がり部を有することで、反応が速やかに起こり、反応効率が向上することを確認した。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明に係る第一実施形態におけるマイクロデバイスの構成を説明する平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】図１の部分拡大断面図である。
【図４】第一実施形態における温度制御手段の他の一例を説明する上面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ’線断面図である。
【図６】第一実施形態におけるマイクロデバイスの製造工程を説明する模式図である。
【図７】図１のＡ−Ａ’線断面図である。
【図８】第一実施形態におけるマイクロデバイスの変形例を説明する上面図である。
【図９】第一実施形態におけるマイクロデバイスの変形例を説明する上面図である。
【図１０】第一実施形態におけるマイクロデバイスの変形例を説明する上面図である。
【図１１】第一実施形態におけるマイクロデバイスの変形例を説明する上面図である。
【図１２】第二実施形態におけるマイクロデバイスの構成を説明する斜視図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１０、１０’…マイクロデバイス、１２…基板、２２…覆い板、１４、１６、１８…供給溝、２０…長溝、１４Ａ、１６Ａ、１８Ａ…反応流体供給路、２０Ａ…流路、２１…触媒（層）、３０…温度制御手段（ヒータ等）、３２…曲がり部、２４…第１液溜め部、２６…第２液溜め部、２８…排出口、２９…第３液溜め部
【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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