JP4366904B2

JP4366904B2 - Small chemical reactor

Info

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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a small chemical reaction apparatus.
[0002]
[Prior art]
In the technical field of chemical reaction, there is known a chemical reaction device that generates a desired fluid substance from a fluidized mixed substance by a chemical reaction (catalytic reaction) by a catalyst provided in a flow path. Among such conventional chemical reaction apparatuses, there is one in which a flow path having a width on the order of microns or millimeters is formed on a silicon substrate using a fine processing technique accumulated in a semiconductor manufacturing technique such as a semiconductor integrated circuit. .
[0003]
FIG. 6 shows a transmission plan view of an example of such a conventional small chemical reaction apparatus, and FIG. 7 shows a sectional view taken along the line BB. This small chemical reaction apparatus includes a small silicon substrate 1. On one surface of the silicon substrate 1, a meandering minute flow path 2 is formed by using a fine processing technique accumulated by a semiconductor manufacturing technique. A reaction catalyst layer 3 is provided on the inner wall surface of the flow path 2.
[0004]
A glass plate 4 serving as a lid is bonded to one surface of the silicon substrate 1. An inlet 5 and an outlet 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 predetermined thermal energy to the reaction catalyst layer 3 in the flow path 2 during the chemical reaction when the chemical reaction (catalytic reaction) in the small chemical reaction apparatus involves an endothermic reaction under a predetermined thermal condition. belongs to.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional small chemical reaction apparatus, the width of the flow path 2 is extremely small on the order of microns or millimeters, and the depth and length of the flow path 2 are limited in order to reduce the size. There is a limit to the amount of the catalyst (reaction catalyst layer 3) provided in 2, and there is a problem that the reaction rate in the flow path 2 that greatly depends on the amount of the catalyst cannot be increased to a certain degree.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a small chemical reaction apparatus that can increase the amount of catalyst provided in a flow path.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a small substrate, a minute channel formed on one surface of the substrate, a first reaction catalyst layer provided in the channel, and a surface of the substrate. A cover plate, a second reaction catalyst layer provided at a position corresponding to at least a part of the flow path of the substrate on a surface of the cover plate on the side of joining the substrate, and the cover plate of the substrate A heater provided on a surface opposite to the bonding side of the lid, and the second reaction catalyst layer includes at least a part of a flow path of the substrate on a surface of the lid plate on the bonding side with the substrate. The first reaction catalyst layer is provided in the entire flow path formed on the substrate. The first reaction catalyst layer is provided in the flow path formed at a corresponding location .
The invention described in 請 Motomeko 2, and a small substrate, and the micro flow path formed on one surface of the substrate, a first catalyst layer disposed in the flow path, the one surface of the substrate A lid plate joined, 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 the side of joining the substrate, and the lid of the substrate A heater provided on a surface opposite to the side joined to the plate, and the second reaction catalyst layer is provided on a surface of the lid plate on the side joined to the substrate, Further, the second reaction catalyst layer is arranged so that the width of the second reaction catalyst layer is smaller than the width of the flow path .
The invention described in 請 Motomeko 3, characterized in that in the invention described in claim 1 or 2, a reaction catalyst of the second catalyst layer is the same as the catalyst of the first catalyst layer It is what.
According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the heater has at least a flow path of the substrate on a surface of the lid plate opposite to the bonding side with the substrate. It is provided in the part corresponding to a part.
The invention according to claim 5 is the porous film according to any one of claims 1 to 4 , wherein the first reaction catalyst layer or the second reaction catalyst layer is formed by a photolithography method. It is characterized in that it is formed by adhering a catalyst.
The invention according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 5 , wherein the heater is at least a part of a flow path of the substrate on a surface opposite to a side bonded to the substrate. It is provided in the location corresponding to.
According to this 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 bonded to the one surface of the substrate is bonded to 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 catalyst provided in the flow path can be increased.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a transmission plan view of a small chemical reaction apparatus as an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a cross-sectional view along the line AA. This small chemical reaction apparatus includes a small silicon substrate 11. As an example, the dimensions of the silicon substrate 11 are 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 minute flow path 12 is formed by using a fine processing technique accumulated in a semiconductor manufacturing technique. The dimensions of the flow path 12 are, for example, a width of about 0.2 to 0.8 mm, a depth of about 0.2 to 0.6 mm, and a total length of about 30 to 1000 mm. A reaction catalyst layer 13 is provided on the inner wall surface of the flow path 12.
[0008]
A glass plate 14 having a thickness of about 0.7 mm serving as a lid is bonded to one surface of the silicon substrate 11. In a surface 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 minute 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 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 flow path 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 end portions of the flow path 15 of the glass plate 14. In addition, when making the full length of the flow path 15 shorter than the full length of the flow path 12, the inflow port 17 and the outflow port 18 are formed in two predetermined positions corresponding to the 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 the chemical reaction (catalytic reaction) in this small chemical reactor involves an endothermic reaction under a predetermined thermal condition, the thin film heater 19 has a predetermined thermal energy applied to the reaction catalyst layers 13 and 16 in the flow paths 12 and 15 during the chemical reaction. It is for supplying. In this case, the meandering thin film heater 19 is planarly matched with the meandering flow paths 12 and 15, but may not be matched. The thin film heater 19 may have a solid shape 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 in which a concave portion 20 is formed in a central portion of one surface by spot facing is bonded. In addition to protecting the thin film heater 19, the glass plate 21 is for preventing thermal diffusion of the thin film heater 19 and improving thermal efficiency. Moreover, in order to improve the heat insulation performance, the inside of the recess 20 may be almost vacuum.
[0012]
By the way, in this small chemical reaction apparatus, the flow path 12 formed on one surface of the silicon substrate 11 and the flow formed on the surface of the glass plate 14 on the side bonded to the silicon substrate 11 corresponding to the flow path 12. One flow path is constituted by the path 15. 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 catalyst provided in the flow paths 12 and 15 is almost the same as that in the flow path 12 alone. Can be doubled and more. As a result, the reaction rate in the flow paths 12 and 15 that greatly depends on the amount of the catalyst can be further increased.
[0013]
If a sufficient cross-sectional area for flowing the mixed material fluidized in one of the channels 12 and 15 can be secured, a reaction catalyst layer is provided in the entire other channel. You may do it.
[0014]
Here, the reaction catalyst layers 13 and 16 are formed by applying a catalyst solution in which catalyst particles are dispersed in a solvent, or by photolithography to form a reaction catalyst layer formed by a physical film formation method such as a sputtering method. It may be formed by patterning by a method, or a catalyst is attached to a porous film made of an anodic oxide film of aluminum formed by a photolithographic method in the channels 12 and 15. May be. Specific examples of the catalyst will be described later.
[0015]
Next, the case where the small chemical reactor according to the present invention is applied to a fuel cell system using a fuel reforming type fuel cell will be described. FIG. 3 is a block diagram showing a main part of an example of the fuel cell system 31. The fuel cell system 31 includes a fuel unit 32, a fuel vaporization unit 33, a reforming unit 34, a carbon monoxide removal unit 35, a power generation unit 36, a charging unit 37, and the like.
[0016]
The fuel unit 32 includes a fuel pack 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 part 33 has a structure as shown in FIGS. However, in this case, the reaction catalyst layers 13 and 16 are not provided in the flow paths 12 and 15. When the fuel for power generation from the fuel section 32 is supplied into the flow paths 12 and 15 through the inlet 17, the fuel vaporization section 33 heats the thin film heater 19 in the flow paths 12 and 15 (120). The fuel for power generation is vaporized at a temperature of about 0 ° C., and the vaporized fuel gas for power generation (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 power generation fuel gas (CH ₃ OH + H ₂ O) vaporized by the fuel vaporization unit 33 is supplied to the reforming unit 34. In this case, the reforming part 34 also has a structure as shown in FIGS. However, in this case, the reaction catalyst layers 13 and 16 include a reforming catalyst made of, for example, Cu, ZnO, Al ₂ O ₃ or the like. When the reforming unit 34 is supplied with the power generation fuel gas (CH ₃ OH + H ₂ O) from the fuel vaporization unit 33 into the flow channels 12 and 15 via the inflow port 17, the reforming unit 34 , The thin film heater 19 is heated (about 280 ° C.) to cause an endothermic reaction as shown in the following formula (1) to generate hydrogen and by-product carbon dioxide.
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, 16) in the channels 12, 15 is relatively large, the channel 12 is added to a relatively large amount of the reforming catalyst heated by the heat generated by the thin film heater 28. The mixed gas (CH ₃ OH + H ₂ O) flowing through the gas 15 is brought into contact and promptly causes an endothermic reaction as shown in the above formula (1), so that the reaction rate can be made relatively high.
[0020]
Further, 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 initial stage of the reaction, but is generated with the power generation of the power generation unit 36 described later. Water may be collected and supplied to the reforming unit 34. Further, the water (H ₂ O) supply source on the left side of the above formula (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. But you can. At this time, although it is a small amount, carbon monoxide may be generated in the reforming unit 34.
[0021]
Then, the product (hydrogen, carbon dioxide) and a small amount of carbon monoxide on the right side of the formula (1) flow out from the outlet 18 of the reforming unit 34. Of the products flowing out from the outlet 18 of the reforming section 34, vaporized hydrogen and carbon monoxide are supplied to the carbon monoxide removing section 35, and carbon dioxide is separated and released into the atmosphere.
[0022]
Next, the carbon monoxide removal part 35 also has a structure as shown in FIGS. In this case, however, the reaction catalyst layers 13 and 16 include a selective oxidation catalyst made of, for example, Pt, Al ₂ O ₃ or the like. The carbon monoxide removing unit 35 heats the thin film heater 19 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 (180 Of hydrogen, carbon monoxide, and water supplied into the flow paths 12 and 15, carbon monoxide and water react with each other, as shown in the following formula (2). 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, 16) in the flow channels 12, 15 is relatively large, the flow channel 12 is added to a relatively large amount of the selective oxidation catalyst heated by the heat generated by the thin film heater 19. The carbon monoxide flowing through the water 15 and water are brought into contact with each other and promptly cause an endothermic reaction as shown in the above formula (2), so that the reaction rate can be made relatively high.
[0024]
Further, water (H ₂ O) on the left side of the above formula (2) may be contained in the fuel of the fuel unit 32 at the initial stage of the reaction, but the water generated by the power generation of the power generation unit 36 is recovered. Thus, the carbon monoxide removal unit 35 can be supplied. Further, the water supply source 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]
And most of the fluid finally reaching the outlet 18 of the carbon monoxide removing unit 35 is hydrogen and carbon dioxide. In addition, when a trace amount of carbon monoxide is contained in the fluid reaching the outlet 18 of the carbon monoxide removal 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 surely removed.
CO + (1/2) O ₂ → CO ₂ (3)
[0026]
The product after the series of reactions is composed of hydrogen and carbon dioxide (including a trace amount of water in some cases). Among these products, carbon dioxide is separated from hydrogen and released into the atmosphere. Accordingly, only hydrogen is supplied from the carbon monoxide removal unit 35 to the power generation unit 36. Note that the carbon monoxide removal unit 35 may be provided between the fuel vaporization unit 33 and the reforming unit 34.
[0027]
Next, as shown in FIG. 4, the power generation unit 36 includes a known solid polymer fuel cell. That is, the power generation unit 36 includes a cathode 41 made of a carbon electrode carrying a catalyst such as Pt, C, an anode 42 made of a carbon electrode carrying a catalyst such as Pt, Ru, C, the cathode 41 and the anode 42. A film-like ion conductive film 43 interposed between and a power supply to a charging unit 37 including a secondary battery or a capacitor provided between the cathode 41 and the anode 42. To do.
[0028]
In this case, a space 44 is provided outside the cathode 41. Hydrogen is supplied from the carbon monoxide removing unit 35 into the space 44 and hydrogen is supplied to the cathode 41. A space 45 is provided outside the anode 42. Oxygen taken in from the atmosphere through the check valve is supplied into the space 45, and the anode 42 oxygen is supplied.
[0029]
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 anode 42 side via the ion conductive film 43 is generated. The electrons (e ⁻ ) are taken out 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 formula (5), electrons (e ⁻ ) supplied via the charging unit 37, hydrogen ions (H ⁺ ) that have passed through the ion conductive film 43, oxygen, React to produce by-product water.
6H ⁺ + (3/2) O ₂ + 6e ⁻ → 3H ₂ O (5)
[0031]
The series of electrochemical reactions as described above (formula (4) and formula (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. It becomes only. The electric power generated by the power generation unit 36 is supplied to the charging unit 37, whereby the charging unit 37 is charged.
[0032]
Water as a by-product generated in the power generation unit 36 is recovered. 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 removal unit 35, the amount of water initially sealed in the fuel unit 32. And the amount of recovered water can be reduced.
[0033]
By the way, the fuel applied to the fuel cell of the fuel reforming method currently being researched and developed is at least a liquid fuel, a liquefied fuel or a gaseous fuel containing hydrogen element, Any fuel can be used as long as it can generate electric energy with a relatively high energy conversion efficiency. In addition to the above methanol, alcohol-based liquid fuels such as ethanol and butanol, dimethyl ether, isobutane, and natural gas (CNG) It is possible to satisfactorily apply a fluid substance such as a liquid fuel made of hydrocarbons vaporized at normal temperature and pressure, such as a liquefied gas, or a gaseous fuel such as hydrogen gas.
[0034]
In the above embodiment, as shown in FIG. 2, on 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 was provided was demonstrated, it is not limited to this.
[0035]
For example, as in another embodiment of the present invention shown in FIG. 5, the flow path 12 of the silicon substrate 11 is not formed on the surface of the glass plate 14 on the bonding side with the silicon substrate 11. The meandering reaction catalyst layer 16 may be provided at the corresponding location. In this case, the width of the reaction catalyst layer 16 is somewhat smaller than the width of the flow path 12 and is disposed in the flow path 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 joined to the 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 the catalyst provided in the flow path can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a transparent plan view of a small chemical reaction apparatus as an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a block diagram of a main part of an example of a fuel cell system provided with a small chemical reaction apparatus 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. 3. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a part of a small 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.
7 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
[Explanation 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

A small substrate, a minute channel formed on one surface of the substrate, a first reaction catalyst layer provided in the channel, a lid plate joined to one surface of the substrate, and the lid plate The second reaction catalyst layer provided at a position corresponding to at least a part of the flow path of the substrate on the surface on the bonding side with the substrate, and the surface opposite to the bonding side with the lid plate of the substrate and a heater provided in the second catalyst layer, the substrate and the flow path formed at a position corresponding to at least a portion of the flow path of the substrate in the plane of the junction side of said cover plate A small-sized reaction apparatus , wherein the first reaction catalyst layer is provided in the entire flow path formed in the substrate .

A small substrate, a minute channel formed on one surface of the substrate, a first reaction catalyst layer provided in the channel, a lid plate joined to one surface of the substrate, and the lid plate The second reaction catalyst layer provided at a position corresponding to at least a part of the flow path of the substrate on the surface on the bonding side with the substrate, and the surface opposite to the bonding side with the lid plate of the substrate And the second reaction catalyst layer is provided on a surface of the lid plate on the side bonded to the substrate, and the width of the second reaction catalyst layer in the flow path of the substrate. Is disposed smaller than the width of the flow path .

In the invention of claim 1 or 2, small chemical reactor catalyst of the second catalyst layer may be equal to the same as the catalyst of the first catalyst layer.

The invention according to any one of claims 1 to 3 , wherein the first reaction catalyst layer or the second reaction catalyst layer is formed by either a coating method or a sputtering method. Chemical reactor.

The invention according to any one of claims 1 to 4 , wherein the first reaction catalyst layer or the second reaction catalyst layer is formed by attaching a catalyst to a porous film formed by a photolithographic method. A small-sized chemical reaction device.

The invention according to any one of claims 1 to 5 , wherein the heater is provided at a position corresponding to at least a part of a flow path of the substrate on a surface opposite to the bonding side with the substrate. A small reactor characterized by that.