JP2004057920A

JP2004057920A - Small-sized chemical reactor

Info

Publication number: JP2004057920A
Application number: JP2002219206A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kawamura; 河村　義裕; Naotada Ogura; 小椋　直嗣
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP4366904B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the amount of a catalyst affecting reaction speed in a flow channel, for example, in a small-sized chemical reactor, for forming a desired fluid substance by the chemical reaction (catalytic reaction) by the catalyst provided in a minute flow channel of a fluidized mixed substance. <P>SOLUTION: Reactive catalyst layers 13 are provided on the inner wall surfaces of the minute flow channels 12 formed to one surface of a small-sized silicon substrate 11. Further, reactive catalytic layers 16 are also provided even on the inner wall surfaces of flow channels 15 formed to the bonding surface of the glass plate 14 bonded to one surface of the silicon substrates at the places corresponding to the flow channels other than the reactivce catalyst layers 13. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は小型化学反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学反応の技術分野では、流体化された混合物質を流路内に設けられた触媒による化学反応（触媒反応）により、所望の流体物質を生成する化学反応装置が知られている。従来のこのような化学反応装置には、半導体集積回路などの半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、シリコン基板上に幅がミクロンオーダーあるいはミリメートルオーダーの流路を形成したものがある。
【０００３】
図６は従来のこのような小型化学反応装置の一例の透過平面図を示し、図７はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図を示したものである。この小型化学反応装置は小型のシリコン基板１を備えている。シリコン基板１の一面には、半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な流路２が形成されている。流路２の内壁面には反応触媒層３が設けられている。
【０００４】
シリコン基板１の一面には蓋となるガラス板４が接合されている。ガラス板４の流路２の両端部に対応する所定の２箇所には、ガラス板４の厚さ方向に貫通する流入口５および流出口６が形成されている。シリコン基板１の他面には、流路２に対応して蛇行した薄膜ヒータ７が設けられている。薄膜ヒータ７は、この小型化学反応装置における化学反応（触媒反応）が所定の熱条件による吸熱反応を伴うとき、化学反応時に流路２内の反応触媒層３に所定の熱エネルギーを供給するためのものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の小型化学反応装置では、流路２の幅がミクロンオーダーあるいはミリメートルオーダーと極めて小さい上、小型化を図るために流路２の深さおよび長さに限界があり、したがって流路２内に設けられる触媒（反応触媒層３）の量に限界があり、ひいては触媒の量に大きく依存する流路２内での反応速度をある程度以上に速くすることができないという問題があった。
そこで、この発明は、流路内に設けられる触媒の量をより多くすることができる小型化学反応装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、小型の基板と、該基板の一面に形成された微小な流路と、該流路内に設けられた第１の反応触媒層と、前記基板の一面に接合された蓋板と、該蓋板の前記基板との接合側の面において前記基板の流路の少なくとも一部と対応する箇所に設けられた第２の反応触媒層とを備えていることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第２の反応触媒層は、前記蓋板の前記基板との接合側の面において前記基板の流路の少なくとも一部と対応する箇所に形成された流路内に設けられていることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第２の反応触媒層は、前記蓋板の前記基板との接合側の面に設けられ、前記基板の流路内に配置されていることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第２の反応触媒層の反応触媒は前記第１の反応触媒層の反応触媒と同じものであることを特徴とするものである。
そして、この発明によれば、基板の一面に形成された微小な流路内に設けられた第１の反応触媒層のほかに、基板の一面に接合された蓋板の基板との接合側の面において基板の流路と対応する箇所に第２の反応触媒層を設けているので、流路内に設けられる触媒の量をより多くすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態としての小型化学反応装置の透過平面図を示し、図２はそのＡ−Ａ線に沿う断面図を示したものである。この小型化学反応装置は小型のシリコン基板１１を備えている。シリコン基板１１の寸法は、一例として、長さ２５ｍｍ程度、幅１７ｍｍ程度、厚さ０．６〜１ｍｍ程度である。シリコン基板１１の一面には、半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な流路１２が形成されている。流路１２の寸法は、一例として、幅０．２〜０．８ｍｍ程度、深さ０．２〜０．６ｍｍ程度であり、全長は３０〜１０００ｍｍ程度である。流路１２の内壁面には反応触媒層１３が設けられている。
【０００８】
シリコン基板１１の一面には蓋となる厚さ０．７ｍｍ程度のガラス板１４が接合されている。ガラス板１４のシリコン基板１１との接合側の面においてシリコン基板１１の流路１２と対応する箇所には、半導体製造技術で蓄積された微細加工技術を用いて、蛇行した微小な流路１５が形成されている。流路１５の寸法は、この例では、シリコン基板１１の流路１２の寸法と同じとなっているが、幅および深さを適宜に異ならせるようにしてもよく、また全長を短くしてもよい。
【０００９】
流路１５の内壁面には反応触媒層１６が設けられている。ガラス板１４の流路１５の両端部に対応する所定の２箇所には、ガラス板１４の厚さ方向に貫通する流入口１７および流出口１８が形成されている。なお、流路１５の全長を流路１２の全長よりも短くする場合には、流入口１７および流出口１８はシリコン基板１１の流路１２の両端部に対応する所定の２箇所に形成される。
【００１０】
シリコン基板１１の他面にはＴａＳｉＯｘやＴａＳｉＯｘＮなどの抵抗体薄膜からなる蛇行した薄膜ヒータ１９が設けられている。薄膜ヒータ１９は、この小型化学反応装置における化学反応（触媒反応）が所定の熱条件による吸熱反応を伴うとき、化学反応時に流路１２、１５内の反応触媒層１３、１６に所定の熱エネルギーを供給するためのものである。この場合、蛇行した薄膜ヒータ１９は、蛇行した流路１２、１５と平面的に一致させているが、一致しないようにしてもよい。また、薄膜ヒータ１９は流路１２、１５全面を覆うようなべた状としてもよい。
【００１１】
シリコン基板１１の他面には、一面の中央部に座ぐり加工により凹部２０が形成された厚さ０．７ｍｍ程度のガラス板２１の周辺部が接合されている。ガラス板２１は、薄膜ヒータ１９を保護するほかに、薄膜ヒータ１９の熱拡散を防止し、熱効率を良くするためのものである。また、凹部２０内は、断熱性能を高めるため、ほぼ真空としてもよい。
【００１２】
ところで、この小型化学反応装置では、シリコン基板１１の一面に形成された流路１２と、この流路１２に対応して、ガラス板１４のシリコン基板１１との接合側の面に形成された流路１５とによって、１つの流路が構成されている。そして、各流路１２、１５の内壁面にそれぞれ反応触媒層１３、１６を設けているので、流路１２、１５内に設けられる触媒の量を流路１２内のみの場合と比較してほぼ２倍とより多くすることができる。この結果、触媒の量に大きく依存する流路１２、１５内での反応速度をより一層速くすることができる。
【００１３】
なお、流路１２、１５のうちのいずれか一方の流路で流体化された混合物質を流すための断面積を十分に確保することができれば、他方の流路内全体に反応触媒層を設けるようにしてもよい。
【００１４】
ここで、反応触媒層１２、１５は、触媒粒子を溶媒中に分散させてなる触媒溶液を塗布することにより、あるいはスパッタリング法などの物理的成膜法により、形成された反応触媒層をフォトリソグフィ法によりパターニングして形成されたものであってもよく、また流路１２、１５内にフォトリソグフィ法により形成されたアルミニウムの陽極酸化膜などからなる多孔質膜に触媒を付着させたものであってもよい。触媒の具体例については後で説明する。
【００１５】
次に、この発明に係る小型化学反応装置を燃料改質型の燃料電池を用いた燃料電池システムに適用した場合について説明する。図３は燃料電池システム３１の一例の要部のブロック図を示したものである。この燃料電池システム３１は、燃料部３２、燃料気化部３３、改質部３４、一酸化炭素除去部３５、発電部３６、充電部３７などを備えている。
【００１６】
燃料部３２は、発電用燃料（例えばメタノール水溶液）が封入された燃料パックなどからなり、発電用燃料を燃料気化部３３に供給する。
【００１７】
燃料気化部３３は、図１および図２に示すような構造となっている。ただし、この場合、流路１２、１５内には反応触媒層１３、１６は設けられていない。そして、燃料気化部３３は、燃料部３２からの発電用燃料が流入口１７を介して流路１２、１５内に供給されると、流路１２、１５内において、薄膜ヒータ１９の加熱（１２０℃程度）により、発電用燃料を気化させ、この気化された発電用燃料ガス（例えば発電用燃料がメタノール水溶液の場合、ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ）を流出口１８から流出させる。
【００１８】
燃料気化部３３で気化された発電用燃料ガス（ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ）は改質部３４に供給される。この場合、改質部３４も、図１および図２に示すような構造となっている。ただし、この場合、反応触媒層１２、１６は、例えば、Ｃｕ、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３などからなる改質触媒を含むものからなっている。そして、改質部３４は、燃料気化部３３からの発電用燃料ガス（ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ）が流入口１７を介して流路１２、１５内に供給されると、流路１２、１５内において、薄膜ヒータ１９の加熱（２８０℃程度）により、次の式（１）に示すような吸熱反応を引き起こし、水素と副生成物の二酸化炭素とを生成する。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２……（１）
【００１９】
この場合、流路１２、１５内の改質触媒（反応触媒層１３、１６）の量は比較的多いので、薄膜ヒータ２８の発熱により加熱された比較的多い量の改質触媒に流路１２、１５内を流れる混合ガス（ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ）が接触し、速やかに上記式（１）に示すような吸熱反応を引き起こすため、反応速度を比較的速くすることができる。
【００２０】
また、上記式（１）の左辺における水（Ｈ_２Ｏ）は、反応の初期では、燃料部３２の燃料に含まれているものでよいが、後述する発電部３６の発電に伴い生成される水を回収して改質部３４に供給するようにしてもよい。また、発電部３６の発電中の上記式（１）の左辺のおける水（Ｈ_２Ｏ）の供給源は、発電部３６のみでもよく、発電部３６および燃料部３２でも、また燃料部３２のみでもよい。なお、このとき微量ではあるが、一酸化炭素が改質部３４内で生成されることがある。
【００２１】
そして、上記式（１）の右辺の生成物（水素、二酸化炭素）および微量の一酸化炭素は改質部３４の流出口１８から流出される。改質部３４の流出口１８から流出された生成物のうち、気化状態の水素および一酸化炭素は一酸化炭素除去部３５に供給され、二酸化炭素は分離されて大気中に放出される。
【００２２】
次に、一酸化炭素除去部３５も、図１および図２に示すような構造となっている。ただし、この場合、反応触媒層１３、１６は、例えば、Ｐｔ、Ａｌ_２Ｏ_３などからなる選択酸化触媒を含むものからなっている。そして、一酸化炭素除去部３５は、改質部３４からの気化状態の水素および一酸化炭素が流入口１７を介して流路１２、１５内に供給されると、薄膜ヒータ１９の加熱（１８０℃程度）により、流路１２、１５内に供給された水素、一酸化炭素、水のうち、一酸化炭素と水とが反応し、次の式（２）に示すように、水素と副生成物の二酸化炭素とが生成される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２……（２）
【００２３】
この場合、流路１２、１５内の選択酸化触媒（反応触媒層１３、１６）の量は比較的多いので、薄膜ヒータ１９の発熱により加熱された比較的多い量の選択酸化触媒に流路１２、１５内を流れる一酸化炭素および水が接触し、速やかに上記式（２）に示すような吸熱反応を引き起こすため、反応速度を比較的速くすることができる。
【００２４】
また、上記式（２）の左辺における水（Ｈ_２Ｏ）は反応の初期では、燃料部３２の燃料に含まれているものでよいが、発電部３６の発電に伴い生成される水を回収して一酸化炭素除去部３５に供給することが可能である。また、一酸化炭素除去部３５における反応式（２）の左辺のおける水の供給源は、発電部３６のみでもよく、発電部３６および燃料部３２でも、また燃料部３２のみでもよい。
【００２５】
そして、最終的に一酸化炭素除去部３５の流出口１８に到達する流体はそのほとんどが水素、二酸化炭素となる。なお、一酸化炭素除去部３５の流出口１８に到達する流体に極微量の一酸化炭素が含まれている場合、残存する一酸化炭素を大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素に接触させることで、次の式（３）に示すように、二酸化炭素が生成され、これにより一酸化炭素が確実に除去される。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ_２→ＣＯ_２……（３）
【００２６】
上記一連の反応後の生成物は水素および二酸化炭素（場合によって微量の水を含む）で構成されるが、これらの生成物のうち、二酸化炭素は水素から分離されて大気中に放出される。したがって、一酸化炭素除去部３５から発電部３６には水素のみが供給される。なお、一酸化炭素除去部３５は、燃料気化部３３と改質部３４との間に設けてもよい。
【００２７】
次に、発電部３６は、図４に示すように、周知の固体高分子型の燃料電池からなっている。すなわち、発電部３６は、Ｐｔ、Ｃなどの触媒が担持された炭素電極からなるカソード４１と、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃなどの触媒が担持された炭素電極からなるアノード４２と、カソード４１とアノード４２との間に介在されたフィルム状のイオン導電膜４３と、を有して構成され、カソード４１とアノード４２との間に設けられた２次電池やコンデンサなどからなる充電部３７に電力を供給するものである。
【００２８】
この場合、カソード４１の外側には空間部４４が設けられている。この空間部４４内には一酸化炭素除去部３５からの水素が供給され、カソード４１に水素が供給される。また、アノード４２の外側には空間部４５が設けられている。この空間部４５内には大気中から逆止弁を介して取り込まれた酸素が供給され、アノード４２酸素が供給される。
【００２９】
そして、カソード４１側では、次の式（４）に示すように、水素から電子（ｅ⁻）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ^＋）が発生し、イオン導電膜４３を介してアノード４２側に通過するとともに、カソード４１により電子（ｅ⁻）が取り出されて充電部３７に供給される。
３Ｈ_２→６Ｈ^＋＋６ｅ⁻……（４）
【００３０】
一方、アノード４２側では、次の式（５）に示すように、充電部３７を経由して供給された電子（ｅ⁻）とイオン導電膜４３を通過した水素イオン（Ｈ^＋）と酸素とが反応して副生成物の水が生成される。
６Ｈ^＋＋（３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ……（５）
【００３１】
以上のような一連の電気化学反応（式（４）および式（５））は概ね室温〜８０℃程度の比較的低温の環境下で進行し、電力以外の副生成物は、基本的に水のみとなる。発電部３６で生成された電力は充電部３７に供給され、これにより充電部３７が充電される。
【００３２】
発電部３６で生成された副生成物としての水は回収される。この場合、上述の如く、発電部３６で生成された水の少なくとも一部を改質部３４や一酸化炭素除去部３５に供給するようにすると、燃料部３２内に当初封入される水の量を減らすことができ、また回収される水の量を減らすことができる。
【００３３】
ところで、現在、研究開発が行われている燃料改質方式の燃料電池に適用されている燃料としては、少なくとも、水素元素を含む液体燃料または液化燃料または気体燃料であって、発電部３６により、比較的高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成することができる燃料であればよく、上記のメタノールの他、例えば、エタノール、ブタノールなどのアルコール系の液体燃料や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス（ＣＮＧ）などの液化ガスなどの常温常圧で気化される炭化水素からなる液体燃料、あるいは、水素ガスなどの気体燃料などの流体物質を良好に適用することができる。
【００３４】
なお、上記実施形態では、図２に示すように、ガラス板１４のシリコン基板１１との接合側の面においてシリコン基板１１の流路１２と対応する箇所に形成された流路１５の内壁面に反応触媒層１６を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【００３５】
例えば、図５に示すこの発明の他の実施形態のように、ガラス板１４のシリコン基板１１との接合側の面に流路を形成せずに、同面においてシリコン基板１１の流路１２と対応する箇所に蛇行した反応触媒層１６を設けるようにしてもよい。この場合、反応触媒層１６は、その幅が流路１２の幅よりもある程度小さく、流路１２内に配置されている。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、基板の一面に形成された微小な流路内に設けられた第１の反応触媒層のほかに、基板の一面に接合された蓋板の基板との接合側の面において基板の流路と対応する箇所に第２の反応触媒層を設けているので、流路内に設けられる触媒の量をより多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態としての小型化学反応装置の透過平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】この発明に係る小型化学反応装置を備えた燃料電池システムの一例の要部のブロック図。
【図４】図３に示す燃料電池システムの発電部および充電部の概略構成図。
【図５】この発明の他の実施形態としての小型化学反応装置の一部の断面図。
【図６】従来の小型化学反応装置の一例の透過平面図。
【図７】図６のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１１　シリコン基板
１２　流路
１３　反応触媒層
１４　ガラス板
１５　流路
１６　反応触媒層
１７　流入口
１８　流出口
１９　薄膜ヒータ
２１　ガラス板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a small chemical reaction device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In the technical field of chemical reaction, there is known a chemical reaction apparatus that generates a desired fluid substance by a chemical reaction (catalytic reaction) of a fluidized mixed substance by a catalyst provided in a flow path. Among such conventional chemical reaction devices, there is a device in which a micron-order or millimeter-order channel is formed on a silicon substrate by using fine processing technology accumulated in semiconductor manufacturing technology such as a semiconductor integrated circuit. .
[0003]
FIG. 6 shows a transmission plan view of an example of such a conventional small-sized chemical reaction apparatus, and FIG. 7 shows a cross-sectional view thereof along the line BB. This small chemical reaction device has a small silicon substrate 1. On one surface of the silicon substrate 1, a meandering fine channel 2 is formed by using a fine processing technology accumulated in a semiconductor manufacturing technology. A reaction catalyst layer 3 is provided on the inner wall surface of the flow channel 2.
[0004]
A glass plate 4 serving as a lid is joined to one surface of the silicon substrate 1. An inflow port 5 and an outflow port 6 penetrating in the thickness direction of the glass plate 4 are formed at two predetermined positions corresponding to both ends of the flow path 2 of the glass plate 4. On the other surface of the silicon substrate 1, a thin film heater 7 meandering corresponding to the flow path 2 is provided. The thin film heater 7 supplies a predetermined thermal energy to the reaction catalyst layer 3 in the flow path 2 at the time of the chemical reaction when the chemical reaction (catalytic reaction) in this small-sized chemical reaction device involves an endothermic reaction under a predetermined thermal condition. belongs to.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-mentioned conventional small-sized chemical reaction apparatus, the width of the flow channel 2 is extremely small on the order of microns or millimeters, and the depth and length of the flow channel 2 are limited in order to reduce the size. There is a problem in that the amount of the catalyst (reaction catalyst layer 3) provided in the fuel cell 2 is limited, and the reaction speed in the flow path 2 which depends largely on the amount of the catalyst cannot be increased to a certain degree or more.
Therefore, an object of the present invention is to provide a small-sized chemical reaction device capable of increasing the amount of a catalyst provided in a channel.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a small substrate, a minute flow path formed on one surface of the substrate, a first reaction catalyst layer provided in the flow path, and a first surface of the substrate are bonded. And a second reaction catalyst layer provided at a position corresponding to at least a part of a flow path of the substrate on a surface of the lid plate on a joining side with the substrate. It is assumed that.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the second reaction catalyst layer forms at least a part of a flow path of the substrate on a surface of the lid plate on a joining side with the substrate. It is characterized by being provided in a flow path formed at a corresponding location.
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the second reaction catalyst layer is provided on a surface of the lid plate on a joining side with the substrate, and is provided in a flow path of the substrate. It is characterized by being arranged.
The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction catalyst of the second reaction catalyst layer is the same as the reaction catalyst of the first reaction catalyst layer. It is characterized by the following.
According to the present invention, in addition to the first reaction catalyst layer provided in the minute flow path formed on one surface of the substrate, the lid plate joined to one surface of the substrate is provided on the bonding side with the substrate. Since the second reaction catalyst layer is provided at a position corresponding to the flow path of the substrate on the surface, the amount of the catalyst provided in the flow path can be increased.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a transmission plan view of a small-sized chemical reaction apparatus as one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA. This small chemical reaction device has a small silicon substrate 11. The dimensions of the silicon substrate 11 are, for example, about 25 mm in length, about 17 mm in width, and about 0.6 to 1 mm in thickness. On one surface of the silicon substrate 11, a meandering fine channel 12 is formed by using a fine processing technology accumulated in a semiconductor manufacturing technology. The dimensions of the flow path 12 are, for example, about 0.2 to 0.8 mm in width, about 0.2 to 0.6 mm in depth, and about 30 to 1000 mm in total length. A reaction catalyst layer 13 is provided on the inner wall surface of the flow channel 12.
[0008]
A glass plate 14 having a thickness of about 0.7 mm serving as a lid is joined to one surface of the silicon substrate 11. At a position corresponding to the flow path 12 of the silicon substrate 11 on the surface of the glass plate 14 on the bonding side with the silicon substrate 11, a meandering fine flow path 15 is formed by using the fine processing technology accumulated in the semiconductor manufacturing technology. Is formed. In this example, the dimensions of the flow path 15 are the same as the dimensions of the flow path 12 of the silicon substrate 11, but the width and the depth may be appropriately changed, or the overall length may be shortened. Good.
[0009]
A reaction catalyst layer 16 is provided on the inner wall surface of the channel 15. An inflow port 17 and an outflow port 18 penetrating in the thickness direction of the glass plate 14 are formed at two predetermined positions corresponding to both ends of the flow path 15 of the glass plate 14. When the total length of the flow path 15 is shorter than the total length of the flow path 12, the inflow port 17 and the outflow port 18 are formed at two predetermined positions corresponding to both ends of the flow path 12 of the silicon substrate 11. .
[0010]
On the other surface of the silicon substrate 11, a meandering thin film heater 19 made of a resistor thin film such as TaSiOx or TaSiOxN is provided. When a chemical reaction (catalytic reaction) in this small-sized chemical reaction device involves an endothermic reaction under a predetermined heat condition, the thin film heater 19 applies a predetermined heat energy to the reaction catalyst layers 13 and 16 in the flow paths 12 and 15 during the chemical reaction. Is to supply. In this case, the meandering thin film heater 19 is made to coincide with the meandering flow paths 12 and 15 in a plane, but may not be coincident. Further, the thin film heater 19 may be solid so as to cover the entire surfaces of the flow paths 12 and 15.
[0011]
On the other surface of the silicon substrate 11, a peripheral portion of a glass plate 21 having a thickness of about 0.7 mm and a concave portion 20 formed in a central portion of one surface by spot facing is bonded. The glass plate 21 not only protects the thin film heater 19 but also prevents heat diffusion of the thin film heater 19 and improves thermal efficiency. Further, the interior of the concave portion 20 may be made substantially vacuum in order to enhance the heat insulation performance.
[0012]
By the way, in this small-sized chemical reaction device, a flow channel 12 formed on one surface of the silicon substrate 11 and a flow channel formed on the surface of the glass plate 14 on the joining side with the silicon substrate 11 corresponding to the flow channel 12. The passage 15 forms one flow passage. Since the reaction catalyst layers 13 and 16 are provided on the inner wall surfaces of the flow paths 12 and 15, respectively, the amount of the catalyst provided in the flow paths 12 and 15 is substantially smaller than that in the case where only the flow path 12 is provided. It can be twice as much. As a result, it is possible to further increase the reaction speed in the flow paths 12, 15 which largely depends on the amount of the catalyst.
[0013]
If a sufficient cross-sectional area for flowing the fluidized mixed substance in one of the flow paths 12 and 15 can be ensured, a reaction catalyst layer is provided in the entire other flow path. You may do so.
[0014]
Here, the reaction catalyst layers 12 and 15 are formed by applying a catalyst solution obtained by dispersing catalyst particles in a solvent or by a physical film formation method such as a sputtering method to form a photolithography film. It may be formed by patterning by a method, or by attaching a catalyst to a porous film such as an anodic oxide film of aluminum formed by a photolithographic method in the channels 12 and 15. You may. Specific examples of the catalyst will be described later.
[0015]
Next, a case where the small chemical reaction device according to the present invention is applied to a fuel cell system using a fuel reforming type fuel cell will be described. FIG. 3 shows a block diagram of a main part of an example of the fuel cell system 31. The fuel cell system 31 includes a fuel section 32, a fuel vaporization section 33, a reforming section 34, a carbon monoxide removal section 35, a power generation section 36, a charging section 37, and the like.
[0016]
The fuel unit 32 includes a fuel pack or the like in which a fuel for power generation (for example, an aqueous methanol solution) is sealed, and supplies the fuel for power generation to the fuel vaporization unit 33.
[0017]
The fuel vaporization section 33 has a structure as shown in FIGS. However, in this case, the reaction catalyst layers 13 and 16 are not provided in the channels 12 and 15. When the fuel for power generation from the fuel unit 32 is supplied into the flow paths 12 and 15 via the inflow port 17, the fuel vaporization unit 33 heats the thin film heater 19 in the flow paths 12 and 15 (step 120). The power generation fuel is vaporized by the temperature (about ° C.), and the vaporized power generation fuel gas (for example, CH ₃ OH + H ₂ O when the power generation fuel is an aqueous methanol solution) flows out from the outlet 18.
[0018]
The fuel gas for power generation (CH ₃ OH + H ₂ O) vaporized in the fuel vaporizing section 33 is supplied to the reforming section 34. In this case, the reforming section 34 also has a structure as shown in FIGS. However, in this case, the reaction catalyst layers 12 and 16 are made of a material containing a reforming catalyst made of, for example, Cu, ZnO, Al ₂ O ₃ or the like. When the fuel gas for power generation (CH ₃ OH + H ₂ O) from the fuel vaporizing section 33 is supplied into the flow paths 12 and 15 via the inflow port 17, the reforming section 34 performs the operations in the flow paths 12 and 15. In the above, the heating (about 280 ° C.) of the thin-film heater 19 causes an endothermic reaction as shown in the following equation (1) to generate hydrogen and carbon dioxide as a by-product.
CH ₃ OH + H ₂ O → 3H ₂ + CO ₂ (1)
[0019]
In this case, since the amount of the reforming catalyst (reaction catalyst layers 13 and 16) in the flow paths 12 and 15 is relatively large, the flow path 12 is supplied to a relatively large amount of the reforming catalyst heated by the heat generated by the thin film heater 28. , 15 contact the mixed gas (CH ₃ OH + H ₂ O) and quickly cause an endothermic reaction as shown in the above formula (1), so that the reaction rate can be made relatively high.
[0020]
Further, the water (H ₂ O) on the left side of the above formula (1) may be contained in the fuel of the fuel unit 32 at the beginning of the reaction, but is generated with the power generation of the power generation unit 36 described later. The water may be collected and supplied to the reforming unit 34. Further, the source of water (H ₂ O) on the left side of the above equation (1) during power generation by the power generation unit 36 may be only the power generation unit 36, the power generation unit 36 and the fuel unit 32, or only the fuel unit 32. May be. At this time, a small amount of carbon monoxide may be generated in the reforming section 34 in some cases.
[0021]
Then, the products (hydrogen, carbon dioxide) and a small amount of carbon monoxide on the right side of the above formula (1) flow out of the outlet 18 of the reforming section 34. Of the products flowing out of the outlet 18 of the reforming section 34, the vaporized hydrogen and carbon monoxide are supplied to the carbon monoxide removing section 35, and the carbon dioxide is separated and released into the atmosphere.
[0022]
Next, the carbon monoxide removing section 35 also has a structure as shown in FIGS. However, in this case, the reaction catalyst layers 13 and 16 are made of a material containing a selective oxidation catalyst made of, for example, Pt, Al ₂ O ₃ or the like. When the vaporized hydrogen and carbon monoxide from the reforming unit 34 are supplied into the flow paths 12 and 15 through the inlet 17, the carbon monoxide removing unit 35 heats the thin film heater 19 (180). Of the hydrogen, carbon monoxide, and water supplied into the flow paths 12 and 15, the carbon monoxide and water react with each other, and as shown in the following equation (2), hydrogen and by-product Matter carbon dioxide is produced.
CO + H ₂ O → H ₂ + CO ₂ (2)
[0023]
In this case, since the amount of the selective oxidation catalyst (reaction catalyst layers 13 and 16) in the flow paths 12 and 15 is relatively large, the flow path 12 is supplied to a relatively large amount of the selective oxidation catalyst heated by the heat generation of the thin film heater 19. , 15 contact carbon monoxide and water and quickly cause an endothermic reaction as shown in the above formula (2), so that the reaction rate can be made relatively high.
[0024]
Further, the water (H ₂ O) on the left side of the above equation (2) may be contained in the fuel of the fuel unit 32 at the beginning of the reaction, but the water generated by the power generation of the power generation unit 36 is recovered. Then, it can be supplied to the carbon monoxide removing unit 35. Further, the supply source of water on the left side of the reaction formula (2) in the carbon monoxide removal unit 35 may be only the power generation unit 36, the power generation unit 36 and the fuel unit 32, or only the fuel unit 32.
[0025]
Most of the fluid that finally reaches the outlet 18 of the carbon monoxide removing unit 35 is hydrogen and carbon dioxide. When a very small amount of carbon monoxide is contained in the fluid reaching the outlet 18 of the carbon monoxide removing unit 35, the remaining carbon monoxide is converted into oxygen taken in from the atmosphere via a check valve. By contacting, as shown in the following formula (3), carbon dioxide is generated, and thereby carbon monoxide is reliably removed.
CO + (1/2) O ₂ → CO ₂ (3)
[0026]
The product after the above series of reactions is composed of hydrogen and carbon dioxide (including a trace amount of water in some cases). Of these products, carbon dioxide is separated from hydrogen and released to the atmosphere. Therefore, only hydrogen is supplied from the carbon monoxide removing unit 35 to the power generating unit 36. The carbon monoxide removing unit 35 may be provided between the fuel vaporizing unit 33 and the reforming unit 34.
[0027]
Next, as shown in FIG. 4, the power generation unit 36 is formed of a known polymer electrolyte fuel cell. That is, the power generation unit 36 includes a cathode 41 composed of a carbon electrode carrying a catalyst such as Pt, C, etc., an anode 42 composed of a carbon electrode carrying a catalyst such as Pt, Ru, C, etc., and the cathode 41 and the anode 42. And a film-shaped ionic conductive film 43 interposed between the cathode 41 and the anode 42 to supply power to the charging unit 37 including a secondary battery, a capacitor, and the like provided between the cathode 41 and the anode 42. Is what you do.
[0028]
In this case, a space 44 is provided outside the cathode 41. Hydrogen from the carbon monoxide removing unit 35 is supplied into the space 44, and hydrogen is supplied to the cathode 41. A space 45 is provided outside the anode 42. Into the space 45, oxygen taken in from the atmosphere via a check valve is supplied, and oxygen of the anode 42 is supplied.
[0029]
Then, on the cathode 41 side, as shown in the following formula (4), hydrogen ions (protons; H ⁺ ) in which electrons (e ⁻ ) are separated from hydrogen are generated, and the hydrogen ions (protons; H ⁺ ) are generated via the ionic conductive film 43. , And electrons (e ⁻ ) are extracted by the cathode 41 and supplied to the charging unit 37.
3H ₂ → 6H ⁺⁺ 6e ⁻ (4)
[0030]
On the other hand, on the anode 42 side, as shown in the following equation (5), the electrons (e ⁻ ) supplied via the charging unit 37, the hydrogen ions (H ⁺ ) and the oxygen that have passed through the ionic conductive film 43, and React with each other to produce by-product water.
6H ⁺ + (3/2) O ₂ + 6e ⁻ → 3H ₂ O (5)
[0031]
The above-described series of electrochemical reactions (Equations (4) and (5)) proceed in a relatively low temperature environment of about room temperature to about 80 ° C., and by-products other than electric power are basically water. Only. The electric power generated by the power generation unit 36 is supplied to the charging unit 37, which charges the charging unit 37.
[0032]
Water as a by-product generated in the power generation unit 36 is collected. In this case, as described above, when at least a part of the water generated by the power generation unit 36 is supplied to the reforming unit 34 and the carbon monoxide removing unit 35, the amount of water initially enclosed in the fuel unit 32 is reduced. And the amount of recovered water can be reduced.
[0033]
By the way, at present, the fuel applied to the fuel cell of the fuel reforming system which is being researched and developed is at least a liquid fuel or a liquefied fuel or a gaseous fuel containing a hydrogen element. Any fuel that can generate electric energy with relatively high energy conversion efficiency may be used. In addition to the above-mentioned methanol, for example, alcohol-based liquid fuels such as ethanol and butanol, dimethyl ether, isobutane, and natural gas (CNG) For example, a liquid material such as a liquefied gas such as a liquid fuel made of hydrocarbon vaporized at normal temperature and normal pressure, or a fluid substance such as a gaseous fuel such as hydrogen gas can be applied.
[0034]
In the above embodiment, as shown in FIG. 2, the inner wall surface of the flow path 15 formed at a position corresponding to the flow path 12 of the silicon substrate 11 on the surface of the glass plate 14 on the bonding side with the silicon substrate 11. Although the case where the reaction catalyst layer 16 is provided has been described, the present invention is not limited to this.
[0035]
For example, unlike another embodiment of the present invention shown in FIG. 5, a flow path is not formed on the surface of the glass plate 14 on the bonding side with the silicon substrate 11, and the flow path 12 of the silicon substrate 11 is formed on the same surface. A meandering reaction catalyst layer 16 may be provided at a corresponding location. In this case, the width of the reaction catalyst layer 16 is somewhat smaller than the width of the flow channel 12, and is disposed in the flow channel 12.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in addition to the first reaction catalyst layer provided in the minute flow path formed on one surface of the substrate, the substrate of the lid plate bonded to one surface of the substrate Since the second reaction catalyst layer is provided at a position corresponding to the flow path of the substrate on the surface on the bonding side, the amount of catalyst provided in the flow path can be further increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a transmission plan view of a small-sized chemical reaction apparatus as one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 1;
FIG. 3 is a block diagram of a main part of an example of a fuel cell system provided with the small chemical reaction device according to the present invention.
4 is a schematic configuration diagram of a power generation unit and a charging unit of the fuel cell system shown in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a part of a small-sized chemical reaction apparatus as another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a transmission plan view of an example of a conventional small chemical reaction apparatus.
FIG. 7 is a sectional view taken along the line BB of FIG. 6;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Silicon substrate 12 Channel 13 Reaction catalyst layer 14 Glass plate 15 Channel 16 Reaction catalyst layer 17 Inlet 18 Outlet 19 Thin film heater 21 Glass plate

Claims

小型の基板と、該基板の一面に形成された微小な流路と、該流路内に設けられた第１の反応触媒層と、前記基板の一面に接合された蓋板と、該蓋板の前記基板との接合側の面において前記基板の流路の少なくとも一部と対応する箇所に設けられた第２の反応触媒層とを備えていることを特徴とする小型化学反応装置。A small substrate, a minute flow path formed on one surface of the substrate, a first reaction catalyst layer provided in the flow path, a lid plate joined to one surface of the substrate, and the lid plate And a second reaction catalyst layer provided at a position corresponding to at least a part of a flow path of the substrate on a surface on a bonding side with the substrate.

請求項１に記載の発明において、前記第２の反応触媒層は、前記蓋板の前記基板との接合側の面において前記基板の流路の少なくとも一部と対応する箇所に形成された流路内に設けられていることを特徴とする小型化学反応装置。2. The flow channel according to claim 1, wherein the second reaction catalyst layer is formed at a position corresponding to at least a part of a flow channel of the substrate on a surface of the cover plate on a bonding side with the substrate. A small-sized chemical reaction device provided in the inside.

請求項１に記載の発明において、前記第２の反応触媒層は、前記蓋板の前記基板との接合側の面に設けられ、前記基板の流路内に配置されていることを特徴とする小型化学反応装置。The invention according to claim 1, wherein the second reaction catalyst layer is provided on a surface of the lid plate on a joining side with the substrate, and is disposed in a flow path of the substrate. Small chemical reactor.

請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第２の反応触媒層の反応触媒は前記第１の反応触媒層の反応触媒と同じものであることを特徴とする小型化学反応装置。The small-sized chemical reaction apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction catalyst of the second reaction catalyst layer is the same as the reaction catalyst of the first reaction catalyst layer.