JP4366904B2

JP4366904B2 - 小型化学反応装置

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Publication number: JP4366904B2
Application number: JP2002219206A
Authority: JP
Inventors: 義裕河村; 直嗣小椋
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP2004057920A

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、前記基板の前記蓋板との接合側と反対側の面に設けられたヒータとを備え、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、前記第１の反応触媒層は、前記基板に形成された流路内全体に設けられ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、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、前記基板の前記蓋板との接合側と反対側の面に設けられたヒータとを備え、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前記第２の反応触媒層の幅が前記流路の幅よりも小さくされて配置さ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又は２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。
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、前記ヒータは、前記蓋板の前記基板との接合側の反対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ていることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記第１の反応触媒層又は前記第２の反応触媒層は、フォトリソグフィ法により形成された多孔質膜に触媒を付着させることにより形成されていることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記ヒータは、前記の前記基板との接合側の反対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てい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１３、１６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、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）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１３、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（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ）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（Ｈ₂Ｏ）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（Ｈ₂Ｏ）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、Ａｌ₂Ｏ₃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＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂……（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（Ｈ₂Ｏ）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）Ｏ₂→ＣＯ₂……（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。
３Ｈ₂→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）Ｏ₂＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ……（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

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、前記基板の前記蓋板との接合側と反対側の面に設けられたヒータとを備え、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、前記第１の反応触媒層は、前記基板に形成された流路内全体に設けられていることを特徴とする小型反応装置。
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、前記基板の前記蓋板との接合側と反対側の面に設けられたヒータとを備え、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前記第２の反応触媒層の幅が前記流路の幅よりも小さく配置されていることを特徴とする小型反応装置。
請求項１又は２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。
請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第１の反応触媒層又は前記第２の反応触媒層は、塗布法またはスパッタリング法のいずれかにより形成されていることを特徴とする小型化学反応装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記第１の反応触媒層又は前記第２の反応触媒層は、フォトリソグフィ法により形成された多孔質膜に触媒を付着させることにより形成されていることを特徴とする小型化学反応装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記ヒータは、前記の前記基板との接合側の反対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ていることを特徴とする小型反応装置。