マイクロリアクタ
【課題】高い反応効率を確保することができ、且つ、製造時には触媒活性物質を設ける際にマスキングを施す必要がなく、製造工程の簡略化と歩留まりの向上を図ることができるマイクロリアクタを提供する。
【解決手段】少なくとも半導体基板を加工して形成した筐体２内に、表面又は内部に反応性物質が流通する流路を有すると共に前記流路に触媒活性物質が設けられた、前記筐体２とは別体の触媒反応部３を内装する。これにより、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが容易であり、また反応性物質の流路に触媒活性物質を設ける際には、マスキングを行うような必要がなく、マイクロリアクタ１の製造時における製造工程を簡略化すると共に歩留まりを向上することができる。
【解決手段】少なくとも半導体基板を加工して形成した筐体２内に、表面又は内部に反応性物質が流通する流路を有すると共に前記流路に触媒活性物質が設けられた、前記筐体２とは別体の触媒反応部３を内装する。これにより、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが容易であり、また反応性物質の流路に触媒活性物質を設ける際には、マスキングを行うような必要がなく、マイクロリアクタ１の製造時における製造工程を簡略化すると共に歩留まりを向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の反応性物質を触媒活性物質の存在下で反応させて所望の流体物質を得るためのマイクロリアクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体の反応性物質を触媒の存在下で反応させて所望の流体の物質を得るにあたっては、従来、触媒が設けられた流路内に反応性物質を流通させ、必要に応じて加熱することで反応を促進することが行われていた。このような化学反応を行うための化学反応装置（リアクタ）としては、例えば数十ｍｍ角以上のサイズを有するものが用いられて、このとき、反応に必要な触媒は、触媒自体をペレット状や微粒子状に成形して反応性物質の流路内に配置したり、セラミック製や金属製のハニカムなどの担持体に触媒を担持させたものを流路内に配置したりして用いられていた。
【０００３】
しかし、近年、実用化に向けて研究開発が進展している燃料改質型の小型燃料電池における改質反応装置などのように、リアクタの小型化が要請されており、このため、小型のリアクタ（マイクロリアクタ）に適したリアクタの構造が求められるようになってきている。
【０００４】
このようなマイクロリアクタでは、例えばガラスや半導体等で構成される一対の基体のうちの少なくとも一方に微小な溝を形成すると共に、この溝内にディップコーティングや超臨界乾燥法等を用いて触媒活性物質を設け、次いで一対の基体を接合することによりその接合界面に反応性物質を流通させるための流路を形成すると共にこの流路内に触媒活性物質を配置することが行われていた（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２９０６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のマイクロリアクタでは、マイクロリアクタの流路中に触媒を強固に固定できるという利点はあるものの、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが難しく、十分な触媒活性を得るためには大量の触媒活性物質を流路内に固定しなければならないという問題があった。
【０００６】
また、基体に触媒活性物質を設ける際には、基体同士の接合面に触媒活性物質が付着しないようにするために、フォトレジストを形成するなどのマスキングを施すことが必要となり、このためマイクロリアクタの製造工程が複雑化すると共に、歩留まりの悪化も招いていた。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、高い反応効率を確保することができ、且つ、製造時には触媒活性物質を設ける際にマスキングを施す必要がなく、製造工程の簡略化と歩留まりの向上を図ることができるマイクロリアクタを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るマイクロリアクタ１は、少なくとも半導体基板を加工して形成した筐体２内に、表面又は内部に反応性物質が流通する流路を有すると共に前記流路に触媒活性物質が設けられた、前記筐体２とは別体の触媒反応部３を内装することを特徴とするものである。このため、半導体基板等の表面に触媒活性物質を直接設ける必要がなくなって、触媒活性物質を設けるにあたっての反応条件や薬剤等の制約がなくなり、触媒活性物質の配置量を多くするための適宜の手法を採用することが可能となることから、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが容易であり、また反応性物質の流路に触媒活性物質を設ける際には、マスキングを行うような必要がなく、マイクロリアクタ１の製造時における製造工程を簡略化すると共に歩留まりを向上することができるものである。
【０００９】
また、上記マイクロリアクタ１においては、上記触媒反応部３を、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の触媒活性物質の成形体４にて形成することができる。この場合、触媒活性物質自体にて反応性物質の微細な流路を形成することができ、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００１０】
また、上記触媒反応部３を、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の基体５に触媒活性物質を担持して形成しても良い。この場合は、触媒反応部３の材料や製造法に関する制約が少なくなり、種々の多孔質の基体５を用いて触媒反応部３を形成することができるものであり、多孔質の基体５として高い表面積を有するものを選択することでこの基体５に担持される触媒活性物質の表面積も大きくし、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００１１】
このように多孔質の触媒活性物質又は多孔質の基体５にて多孔質の触媒反応部３を形成する場合には、その細孔径が０．１ｎｍ〜１００μｍの範囲となるようにすることが好ましい。この場合、触媒反応部３に十分に高い表面積を付与してマイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を維持すると共に、この触媒反応部３の細孔における反応性物質の流通を十分に確保することができるものである。
【００１２】
また、上記マイクロリアクタ１においては、上記触媒反応部３を、反応性物質が流通可能な溝部６を有する触媒活性物質にて形成しても良い。この場合、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減することができ、また、触媒活性物質自体にて反応性物質の流路を形成することができて、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００１３】
また、上記触媒反応部３を、反応性物質が流通可能な溝部６を有する基体８の前記溝部６内に触媒活性物質を担持して形成することもできる。この場合も、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減することができ、また、触媒反応部３の材料や製造法に関する制約が少なくなり、種々の基体８を用いて触媒反応部３を形成することができる。
【００１４】
また、上記のように溝部６を有する触媒活性物質又は溝部６を有する基体８にて触媒反応部３を形成する場合には、この溝部６にて構成される反応性物質の流路径が５０μｍ〜１ｍｍの範囲となるようにすることが好ましい。この場合、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の低い圧力損失を維持しつつ、流路内を流通する反応性物質と触媒活性物質との接触を十分に確保して反応性物質の高い反応効率を達成することができるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが容易で高い反応効率を確保することができ、且つ、製造時には触媒活性物質を設ける際にマスキングを施す必要がなく、製造工程の簡略化と歩留まりの向上を図ることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１７】
本発明に係るマイクロリアクタ１は、図１〜３に示されるように、筐体２と、筐体２内に内装される前記筐体２とは別体の触媒反応部３とから構成することができる。
【００１８】
上記筐体２は図示の例では平面視矩形状に形成され、内部に触媒反応部３が配置される空間９を有する。この筐体２は、一対の基体２ａ，２ｂにて構成することができる。このとき、一対の基体２ａ，２ｂのうち少なくとも一方には、凹所１０が設けられており、この凹所１０にて上記触媒反応部３が配置される空間９を形成することができる。すなわち、図示の例では、平面視矩形状の凹所１０が設けられた一方の板状の基体２ａに対して、他方の板状の基体２ｂを前記凹所１０を閉塞するように接合して筐体２が形成されるものであり、このとき閉塞された凹所１０にて空間９が形成される。
【００１９】
また、この筐体２の一端には上記空間９と筐体２の外部とを連通する流入口１１が設けられていると共に、この筐体２の他端には上記空間９と筐体２の外部とを連通する流出口１２が設けられており、図示の例ではこれらの流入口１１及び流出口１２は一方の基体２ａにおいて、凹所１０内の互いに対向する二つの内側面でそれぞれ開口するように設けられている。
【００２０】
このような筐体２の寸法は適宜設定することができるが、５〜１００ｍｍ×５〜１００ｍｍ×１〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。また、筐体２に設けられる上記空間９の寸法も適宜設定することができるが、前記筐体２の寸法に応じ、３〜９９ｍｍ〜３×９９ｍｍ×０．３〜１９ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００２１】
また、この筐体２の材質も特に制限されるものではないが、少なくともシリコン等の半導体からなる基板を加工して形成することが好ましい。このとき筐体２は半導体基板を加工したもののみから形成しても良く、またガラス等の他の材質のものと組み合わせて形成しても良い。
【００２２】
このような筐体２内には、表面又は内部に反応性物質が流通する流路を有すると共にこの流路に触媒活性物質が設けられた、前記筐体２とは別体の触媒反応部３を内装する。このため、半導体基板等の表面に触媒活性物質を直接設ける必要がなくなって、触媒活性物質を設けるにあたっての反応条件や薬剤等の制約がなくなり、触媒活性物質を設ける際に後述するような多孔質の基体を用いたりスラリー法等のような触媒活性物質の配置量を多くするための適宜の手法を採用することが可能となることから、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが容易となるものである。
【００２３】
図１に示す例では、触媒反応部３は、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の触媒活性物質の成形体４にて形成することができる。このとき触媒活性物質としては、マイクロリアクタ１において、いかなる反応を生じさせるかに応じて、適宜選択されるものであるが、例えば反応性物質としてメタノールと水蒸気との混合物を用い、これから反応生成物として水素と二酸化炭素とを生じさせる反応を起こさせるマイクロリアクタ１を作製する場合には、触媒活性物質としてＣｕＯ、ＺｎＯ及びＡｌ2Ｏ3を含有する銅亜鉛系の触媒を用いることができる。そして、このような触媒活性物質の粉末を成形したものを焼結させることで、多孔質の触媒活性物質の成形体４を得ることができるものである。
【００２４】
この触媒反応部３は、例えば上記筐体２の内部の空間９の寸法と一致する寸法、或いはこれよりも小さい寸法となるように形成される。そして、このような触媒反応部３を、筐体２を構成する一方の基体２ａの凹所１０内に配置し、この状態で他方の基体２ｂを、前記凹所１０を閉塞するように前記一方の基体２ａに接合することで、マイクロリアクタ１が形成される。
【００２５】
基体２ａ，２ｂ同士を接合するための手法としては、適宜のものを採用することができるが、例えば陽極接合にて行うことができる。
【００２６】
このように形成されるマイクロリアクタ１では、流体の反応性物質に所望の化学反応を生じさせるにあたり、まず反応性物質を流入口１１から内部へ導入する。導入された反応性物質は、触媒反応部３に達し、この触媒反応部３を構成する成形体４内部の連続細孔を流通する。すなわち、前記連続細孔が、成形体４の内部における反応性物質の流路となる。そして、反応性物質は、前記流路を流通することにより触媒反応部３を構成する触媒活性物質によって化学反応が促進され、所望の反応生成物を得ることができる。このようにして生成された反応生成物は流出口１２からマイクロリアクタ１外へ導出されることとなる。
【００２７】
また、このように多孔質の触媒反応部３を形成する場合には、触媒活性物質以外の物質により反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の基体５を作製し、この基体５に触媒活性物質を担持することで触媒反応部３を作製しても良い。
【００２８】
上記多孔質の基体５としては、適宜のものを用いることができるが、例えばアルミナ等のセラミックスの焼結体を用いることができる。
【００２９】
このような多孔質の基体５に触媒活性物質を担持させるためには、スラリー法等の適宜の手法が採り得る。例えば、触媒活性物質或いはその前駆体を水に分散させたスラリーを調製し、このスラリーを前記基体５に塗布したりこの基体５を前記スラリー中に浸漬したりすることでこのスラリーを前記基体５に含浸させ、次いでこの基体５を適宜の雰囲気・温度で焼成することで、基体５に触媒活性物質を担持させることができる。
【００３０】
具体的な一例を挙げると、反応性物質としてメタノールと水蒸気との混合物を用い、マイクロリアクタ１において水蒸気改質反応により反応生成物として水素リッチな改質ガスを得る場合（すなわち、マイクロリアクタを燃料電池等における改質反応器として形成する場合）には、例えばＣｕ、ＺｎＯ及びＡｌ2Ｏ3の粉末を蒸留水中に分散させてスラリーを調製し、このスラリーを基体５に含浸させた後乾燥する操作を複数回繰り返した後、この基体５を空気雰囲気中で１５０〜４００℃で３０〜３００分間焼成し、次いで水素雰囲気中で１５０〜４００℃で３０〜３００分間で還元することにより、多孔質の基体５に触媒活性物質が担持された触媒反応部３を得ることができるものである。
【００３１】
このように触媒活性物質を担持した多孔質の基体５にて触媒反応部３を形成すると、触媒反応部３の材料や製造法に関する制約が少なくなり、種々の多孔質の基体５を用いて触媒反応部３を形成することができる。すなわち、触媒活性物質として、それ自体では多孔質の成形体を形成することが困難なものを用いる場合でも、触媒活性物質自体を成形するのではなく、多孔質の基体５として高い表面積を有するものを選択して用い、この基体５に触媒活性物質を担持させることで、基体５に担持される触媒活性物質の表面積を大きくし、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００３２】
このように形成されるマイクロリアクタ１でも、流体の反応性物質に所望の化学反応を生じさせるにあたり、まず反応性物質を流入口１１から内部へ導入する。導入された反応性物質は、触媒反応部３に達し、この触媒反応部３を構成する基体５内部の連続細孔を流通する。すなわち、前記連続細孔が、基体５の内部における反応性物質の流路となる。そして、反応性物質は、前記流路を流通することにより基体５に担持された触媒活性物質によって化学反応が促進され、所望の反応生成物を得ることができる。このようにして生成された反応生成物は流出口１２からマイクロリアクタ１外へ導出されることとなる。
【００３３】
上記のように多孔質の成形体４や基体５にて構成される多孔質の触媒反応部３は、反応性物質の流路となる連続細孔の細孔径が０．１ｎｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましい。このような細孔径を有する触媒反応部３はその表面積が大きくなり、このため細孔を流通する反応性物質と触媒活性物質との接触面積が大きくなって、反応効率が増大する。このため、マイクロリアクタ１の体積に比して非常に高い反応効率で反応性物質を反応させることができる。また、このような高い反応効率を維持しつつ、同時に触媒反応部３の細孔における反応性物質の流通量を十分に確保することができるものである。
【００３４】
また、図２，３に示す例では、触媒反応部３は、多孔質の触媒活性物質にて形成されているものであり、例えば多孔質の触媒活性物質の成形体７にて触媒反応部３を形成することができる。このとき触媒活性物質としては、図１に示す例と同様に、マイクロリアクタ１において、いかなる反応を生じさせるかに応じて、適宜選択されるものであり、また触媒活性物質の成形体７を作製するにあたっては、上記図１に示す場合において触媒活性物質の成形体４を作製する場合と同様に触媒活性物質の粉末を焼結させることにより得ることができる。
【００３５】
また、この触媒反応部３を構成する成形体７には、反応性物質が流通可能な溝部６が設けられている。
【００３６】
図２に示す例では、溝部６は成形体７の一面に平行並列に複数設けられており、成形体７の両端面において各溝部６が開口している。
【００３７】
この触媒反応部３を、前記各溝部６の一端が流入口１１側、他端が流出口１２側に配置されるように一方の基体２ａの凹所１０に配置し、この状態で他方の基体２ｂを凹所１０を閉塞するように一方の基体２ａに接合して、マイクロリアクタ１が形成される。基体２ａ，２ｂ同士の接合は図１に示す例と同様に陽極接合等の適宜の手法を採用できる。
【００３８】
このとき、触媒反応部３が筐体２の内部の空間９に内装されることから、触媒反応部３の一面における溝部６の上部開口は前記空間９の内面（図示の例では基体２ｂの下面）によって閉塞されて平行並列な複数の流路が形成され、また各溝部６の両端はそれぞれ流入口１１及び流出口１２と連通することとなる。このとき、例えば触媒反応部３の両端面における各溝部６の開口と、流入口１１及び流出口１２がそれぞれ形成されている前記空間９の内面（凹所１０の互いに開口する両側の内側面）との間に、若干の隙間が形成されるようにすることで、各溝部６の両端をそれぞれ流入口１１及び流出口１２に連通させることができる。
【００３９】
このように形成されるマイクロリアクタ１では、流体の反応性物質に所望の化学反応を生じさせるにあたり、まず反応性物質を流入口１１から内部へ導入する。導入された反応性物質は、触媒反応部３に達し、この触媒反応部３を構成する触媒活性物の成形体７の各溝部６に分岐して流入し、この溝部６内を流通する。すなわち、前記溝部６が、成形体７の内部における反応性物質の流路となる。そして、反応性物質は、前記流路を流通することにより成形体７を構成する触媒活性物質によって化学反応が促進され、所望の反応生成物を得ることができる。このようにして生成された反応生成物は流出口１２からマイクロリアクタ１外へ導出されることとなる。
【００４０】
このように溝部６を有する触媒活性物質の成形体７にて触媒反応部３を形成すると、この溝部６によって、反応性物質が流通可能な流路として所望の流路径を有するものを形成することができ、このため、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減することができる。また、触媒活性物質自体にて反応性物質の流路を形成することができて、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００４１】
また、図３に示す例では、溝部６は成形体７の一面に平行並列に複数設けられており、成形体７の両端面において各溝部６が開口している。この触媒反応部３の溝部６は、流入口１１と流出口１２とを結ぶ線と直交するように、平行並列に設けられる。また、隣接する各溝部６同士は、その一端同士の間と他端同士の間とを順次交互に切欠いた形状の連通部１３を設けて連通されている。
【００４２】
この触媒反応部３を、一方の端部に設けられている溝部６が流入口１１側に、他方の端部に設けられている溝部６が流出口１２側にそれぞれ配置されるようにして一方の基体２ａの凹所１０に配置し、この状態で他方の基体２ｂを凹所１０を閉塞するように一方の基体２ａに接合して、マイクロリアクタ１が形成される。このとき、触媒反応部３が筐体２の内部の空間９に内装されることから、触媒反応部３の一面における溝部６の開口と、この溝部６の両端の開口とが、前記空間９の内面によって閉塞されて、この空間９の内側に蛇行状の流路が形成され、この流路は一端側が流入口１１に、他端側が流出口１２にそれぞれ連通することとなる。このとき、例えば触媒反応部３の両端面と、流入口１１及び流出口１２がそれぞれ形成されている前記空間９の内面（凹所１０の互いに開口する両側の内側面）との間には、若干の隙間が形成されるようにし、触媒反応部３の両端の各溝部６には、この各溝部６と前記隙間とを連通する切欠き状の連通部１３を設けるなどして、流路を流入口１１と流出口１２とに連通させることができる。
【００４３】
このように形成されるマイクロリアクタ１では、流体の反応性物質に所望の化学反応を生じさせるにあたり、まず反応性物質を流入口１１から内部へ導入する。導入された反応性物質は、触媒反応部３に達し、この触媒反応部３を構成する触媒活性物の成形体７の各溝部６で構成される蛇行状の流路に流入し、この流路内を流通する。そして、反応性物質は、前記流路を流通することにより成形体７を構成する触媒活性物質によって化学反応が促進され、所望の反応生成物を得ることができる。このようにして生成された反応生成物は流出口１２からマイクロリアクタ１外へ導出されることとなる。
【００４４】
このように溝部６を有する触媒活性物質の成形体７にて触媒反応部３を形成すると、この溝部６によって、反応性物質が流通可能な流路として所望の流路径を有するものを形成することができ、このため、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減することができる。また、触媒活性物質自体にて反応性物質の流路を形成することができて、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができる。更に、上記反応性物質が流通する流路は蛇行状に形成されていることから流路長を長くすることができ、このため更に反応効率を向上することができるものである。
【００４５】
また、上記図２，３に示す様な構成において、触媒活性物質以外の物質により反応性物質が流通可能な溝部６を有する基体８を作製し、この基体８に触媒活性物質を担持することで触媒反応部３を作製しても良い。
【００４６】
上記基体８としては、適宜のものを用いることができるが、例えばアルミナ等のセラミックスの焼結体を用いることができる。
【００４７】
このような基体８に触媒活性物質を担持させるためには、スラリー法等のように図１に示す場合における基体５に触媒を担持する場合と同様の適宜の手法を採用することができる。
【００４８】
このように触媒活性物質を担持した溝部６を有する基体８にて触媒反応部３を形成すると、触媒反応部３の材料や製造法に関する制約が少なくなり、種々の基体８を用いて触媒反応部３を形成することができる。すなわち、触媒活性物質として、それ自体では成形体を形成することが困難なものを用いる場合でも、触媒活性物質自体を成形するのではなく、適宜の基体８を形成し、この基体８に触媒活性物質を担持させることで、基体８の溝部６によって、反応性物質が流通可能な流路として所望の流路径を有するものを形成して反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減すると共に、基体８に担持された触媒活性物質によって反応性物質の反応を促進することができるものである。
【００４９】
上記のように溝部６を有する成形体７や基体８にて触媒反応部３を形成する場合には、この溝部６にて形成される流路径、すなわちこの流路における反応性物質の流通方向と直交する断面形状に外接する仮想的な円の径が、５０μｍ〜１ｍｍの範囲となるようにすることが好ましい。このようにすると、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の低い圧力損失を維持しつつ、流路内を流通する反応性物質と触媒活性物質との接触を十分に確保して反応性物質の反応効率を更に向上することができるものである。
【００５０】
以上のような本発明に係るマイクロリアクタ１では、触媒活性物質を有する流路が形成された触媒反応部３が、マイクロリアクタ１の外装を構成する筐体２とは別体に設けられているために、筐体２を構成する部材、例えば上記各実施形態のように基体２ａ，２ｂに、反応性物質の流路や触媒活性物質を直接設ける必要がなくなる。このため、このような筐体２を構成する部材に反応性物質の流路や触媒活性物質を設ける場合に部材同士の接合面を保護するために必要とされるフォトレジスト形成等のようなマスキング処理が必要なくなり、製造工程を簡略化することができると共にそれに伴って歩留まりを向上することができるものである。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明を実施例により詳述する。
【００５２】
（実施例１）
Ａｌ2Ｏ3からなる三次元網目構造の連続通孔を有する多孔質セラミックスを８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの寸法に裁断して多孔質の基体５を形成した。この基体５の平均細孔径は、５０μｍであった。
【００５３】
この基体５を、触媒活性粉末（ズードケミー触媒株式会社製「ＭＤＣ−３」、Ｃｕ：ＺｎＯ：Ａｌ2Ｏ3の質量比４２：４７：１０）を蒸留水と混合したスラリー中に浸漬した後、ヒートガンにて余剰のスラリーを除去することにより乾燥した。この浸漬及び乾燥操作を５回繰り返した後、空気雰囲気下で３００℃で１８０分間焼成し、次いで水素雰囲気下で２５０℃で１８０分間還元処理を施すことで、触媒反応部３を形成した。
【００５４】
一方、基体２ａしては１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．５ｍｍの寸法を有すると共にこの基体２ａには８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの寸法の凹所１０を形成し、且つこの凹所１０と連通する流入口１１及び流出口１２を設けた。また基体２ｂとしては１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍの寸法を有するものを用いた。このとき基体２ａはガラス基板にサンドブラスト加工にて凹所１０を形成することにより作製し、また基体２ｂはシリコン基板を切断加工することで作製した。
【００５５】
そして、基体２ａの凹所１０に触媒反応部３を配置し、この状態で基体２ａと基体２ｂとを陽極接合にて接合した。これにより、基体２ａ，２ｂで構成される筐体２の内部の空間９に触媒反応部３を内装し、図１に示す様な構成のマイクロリアクタ１を形成した。
【００５６】
（実施例２）
Ａｌ2Ｏ3からなる三次元網目構造の連続通孔を有する多孔質セラミックスを８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの寸法に裁断し、更にフライス加工により開口幅０．１ｍｍ、長さ８ｍｍ、深さ０．７ｍｍの複数の溝部６を０．１５ｍｍの間隔をあけて平行並列に形成して、図２に示すような基体８を形成した。
【００５７】
この基体８をに対し、実施例１と同様のスラリー法により触媒活性粉末を担持させて、触媒反応部３を形成した。
【００５８】
一方、基体２ａ，２ｂとしては実施例１と同様のものを用い、基体２ａの凹所１０に触媒反応部３を配置し、この状態で基体２ａと基体２ｂとを陽極接合することで接合した。
【００５９】
これにより、基体２ａ，２ｂで構成される筐体２の内部の空間９に触媒反応部３を内装し、図２に示すような構成のマイクロリアクタ１を形成した。
【００６０】
（実施例３）
Ａｌ2Ｏ3からなる三次元網目構造の連続通孔を有する多孔質セラミックスを８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの寸法に裁断し、更にフライス加工により開口幅０．１ｍｍ、長さ８ｍｍ、深さ０．７ｍｍの寸法を有する複数の溝部６を０．１５ｍｍの間隔をあけて平行並列に形成すると共に、各溝部６同士を、その一端同士の間と他端同士の間とを順次交互に切欠いて連通部１３にて連通させて、図３に示すような基体８を形成した。
【００６１】
この基体８に対して、実施例１と同様のスラリー法により触媒活性粉末を担持させて、触媒反応部３を形成した。
【００６２】
一方、基体２ａ，２ｂとしては実施例１と同様のものを用い、基体２ａの凹所１０に触媒反応部３を配置し、この状態で基体２ａと基体２ｂとを陽極接合にて接合した。
【００６３】
これにより、基体２ａ，２ｂで構成される筐体２の内部の空間９に触媒反応部３を内装し、図３に示すような構成のマイクロリアクタ１を形成した。
【００６４】
（比較例１）
基体２ａ’として実施例１と同様の材質及び手法にて１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．５ｍｍの寸法を有するものを形成し、この基体２ａ’の一面の８ｍｍ×８ｍｍの寸法の領域に、フライス加工により開口幅０．１ｍｍ、長さ８ｍｍ、深さ０．７ｍｍの寸法を有する複数の溝部６’を平行並列に形成すると共に、その両端に各溝部６’の端部を連通する空間を形成し、更に各空間を外部と連通するように基体２ａ’の両端に流入口１１と流出口１２とを形成した。
【００６５】
この基体２ａ’に対して上記溝部６’の内面以外の部位にフォトレジストによるマスキングを施し、この状態で溝部６’の内面に実施例１と同一の触媒活性粉末を１．５０質量部、テトラエトキシシランを１．８０質量部、硝酸を０．０２質量部、エタノールを３．９８質量部、蒸留水を７．７８質量部の割合で混合したものを注入し、１１０℃で２時間乾燥した後、空気雰囲気下で３００℃で１８０分間焼成し、次いで水素雰囲気下で２５０℃で１８０分間還元することで、触媒活性物質を担持させた。次いで、前記フォトレジストを除去した。
【００６６】
一方、基体２ｂ’としては、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍの寸法を有するものを形成し、この基体２ｂ’を上記基体２ａ’に陽極接合にて接合して、基体２ｂにて上記溝部６’を閉塞した。これにより図４に示すようなマイクロリアクタ１’を形成した。
【００６７】
（試験）
上記各実施例及び比較例におけるマイクロリアクタ１に、流入口１１からメタノールと水蒸気との混合ガス（反応性物質）を導入すると共にこのマイクロリアクタ１を加熱し、水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガス（反応生成物）を生成させて流出口１２から導出させた。
【００６８】
このとき、混合ガスとしてはメタノール：水蒸気のモル比が１：２となる組成を有するものを用い、混合ガスのマイクロリアクタ１への流入量は２μＬ／ｍｉｎとし、またマイクロリアクタ１の加熱温度は２５０℃とした。
【００６９】
そして、各実施例及び比較例につき、得られた改質ガス中の成分をガスクロマトグラフィーにより分析し、その結果に基づいてＣＨ3ＯＨ転化率と水素収率とを導出した。ここでＣＨ3ＯＨ転化率は、マイクロリアクタ１へ導入したメタノールの流量から、マイクロリアクタ１から導出されるメタノールの流量を減じた値を、マイクロリアクタ１へ導入したメタノールの流量で除した値、即ち｛（入口メタノール流量）−（出口メタノール流量）｝／（入口メタノール流量）の値である。また水素収率は、マイクロリアクタ１から導出された水素流量を、理論的に算出される水素流量で除した値、すなわち、（出口水素流量）／（理論水素流量）の値である。
【００７０】
この結果を下記表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
この結果から分かるように、実施例１〜３の各マイクロリアクタ１では、マスキング工程を経ずに製造され、且つ高い反応効率を有するものであった。また、従来方法にて形成される比較例１と較べても高い反応効率を有するものであった。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態の他例を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態の更に他例を示す分解斜視図である。
【図４】比較例１におけるマイクロリアクタの構成を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ マイクロリアクタ
２ 筐体
３ 触媒活性物質
４ 成形体
５ 基体
６ 溝部
８ 基体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の反応性物質を触媒活性物質の存在下で反応させて所望の流体物質を得るためのマイクロリアクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体の反応性物質を触媒の存在下で反応させて所望の流体の物質を得るにあたっては、従来、触媒が設けられた流路内に反応性物質を流通させ、必要に応じて加熱することで反応を促進することが行われていた。このような化学反応を行うための化学反応装置（リアクタ）としては、例えば数十ｍｍ角以上のサイズを有するものが用いられて、このとき、反応に必要な触媒は、触媒自体をペレット状や微粒子状に成形して反応性物質の流路内に配置したり、セラミック製や金属製のハニカムなどの担持体に触媒を担持させたものを流路内に配置したりして用いられていた。
【０００３】
しかし、近年、実用化に向けて研究開発が進展している燃料改質型の小型燃料電池における改質反応装置などのように、リアクタの小型化が要請されており、このため、小型のリアクタ（マイクロリアクタ）に適したリアクタの構造が求められるようになってきている。
【０００４】
このようなマイクロリアクタでは、例えばガラスや半導体等で構成される一対の基体のうちの少なくとも一方に微小な溝を形成すると共に、この溝内にディップコーティングや超臨界乾燥法等を用いて触媒活性物質を設け、次いで一対の基体を接合することによりその接合界面に反応性物質を流通させるための流路を形成すると共にこの流路内に触媒活性物質を配置することが行われていた（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２９０６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のマイクロリアクタでは、マイクロリアクタの流路中に触媒を強固に固定できるという利点はあるものの、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが難しく、十分な触媒活性を得るためには大量の触媒活性物質を流路内に固定しなければならないという問題があった。
【０００６】
また、基体に触媒活性物質を設ける際には、基体同士の接合面に触媒活性物質が付着しないようにするために、フォトレジストを形成するなどのマスキングを施すことが必要となり、このためマイクロリアクタの製造工程が複雑化すると共に、歩留まりの悪化も招いていた。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、高い反応効率を確保することができ、且つ、製造時には触媒活性物質を設ける際にマスキングを施す必要がなく、製造工程の簡略化と歩留まりの向上を図ることができるマイクロリアクタを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るマイクロリアクタ１は、少なくとも半導体基板を加工して形成した筐体２内に、表面又は内部に反応性物質が流通する流路を有すると共に前記流路に触媒活性物質が設けられた、前記筐体２とは別体の触媒反応部３を内装することを特徴とするものである。このため、半導体基板等の表面に触媒活性物質を直接設ける必要がなくなって、触媒活性物質を設けるにあたっての反応条件や薬剤等の制約がなくなり、触媒活性物質の配置量を多くするための適宜の手法を採用することが可能となることから、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが容易であり、また反応性物質の流路に触媒活性物質を設ける際には、マスキングを行うような必要がなく、マイクロリアクタ１の製造時における製造工程を簡略化すると共に歩留まりを向上することができるものである。
【０００９】
また、上記マイクロリアクタ１においては、上記触媒反応部３を、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の触媒活性物質の成形体４にて形成することができる。この場合、触媒活性物質自体にて反応性物質の微細な流路を形成することができ、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００１０】
また、上記触媒反応部３を、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の基体５に触媒活性物質を担持して形成しても良い。この場合は、触媒反応部３の材料や製造法に関する制約が少なくなり、種々の多孔質の基体５を用いて触媒反応部３を形成することができるものであり、多孔質の基体５として高い表面積を有するものを選択することでこの基体５に担持される触媒活性物質の表面積も大きくし、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００１１】
このように多孔質の触媒活性物質又は多孔質の基体５にて多孔質の触媒反応部３を形成する場合には、その細孔径が０．１ｎｍ〜１００μｍの範囲となるようにすることが好ましい。この場合、触媒反応部３に十分に高い表面積を付与してマイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を維持すると共に、この触媒反応部３の細孔における反応性物質の流通を十分に確保することができるものである。
【００１２】
また、上記マイクロリアクタ１においては、上記触媒反応部３を、反応性物質が流通可能な溝部６を有する触媒活性物質にて形成しても良い。この場合、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減することができ、また、触媒活性物質自体にて反応性物質の流路を形成することができて、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００１３】
また、上記触媒反応部３を、反応性物質が流通可能な溝部６を有する基体８の前記溝部６内に触媒活性物質を担持して形成することもできる。この場合も、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減することができ、また、触媒反応部３の材料や製造法に関する制約が少なくなり、種々の基体８を用いて触媒反応部３を形成することができる。
【００１４】
また、上記のように溝部６を有する触媒活性物質又は溝部６を有する基体８にて触媒反応部３を形成する場合には、この溝部６にて構成される反応性物質の流路径が５０μｍ〜１ｍｍの範囲となるようにすることが好ましい。この場合、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の低い圧力損失を維持しつつ、流路内を流通する反応性物質と触媒活性物質との接触を十分に確保して反応性物質の高い反応効率を達成することができるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが容易で高い反応効率を確保することができ、且つ、製造時には触媒活性物質を設ける際にマスキングを施す必要がなく、製造工程の簡略化と歩留まりの向上を図ることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１７】
本発明に係るマイクロリアクタ１は、図１〜３に示されるように、筐体２と、筐体２内に内装される前記筐体２とは別体の触媒反応部３とから構成することができる。
【００１８】
上記筐体２は図示の例では平面視矩形状に形成され、内部に触媒反応部３が配置される空間９を有する。この筐体２は、一対の基体２ａ，２ｂにて構成することができる。このとき、一対の基体２ａ，２ｂのうち少なくとも一方には、凹所１０が設けられており、この凹所１０にて上記触媒反応部３が配置される空間９を形成することができる。すなわち、図示の例では、平面視矩形状の凹所１０が設けられた一方の板状の基体２ａに対して、他方の板状の基体２ｂを前記凹所１０を閉塞するように接合して筐体２が形成されるものであり、このとき閉塞された凹所１０にて空間９が形成される。
【００１９】
また、この筐体２の一端には上記空間９と筐体２の外部とを連通する流入口１１が設けられていると共に、この筐体２の他端には上記空間９と筐体２の外部とを連通する流出口１２が設けられており、図示の例ではこれらの流入口１１及び流出口１２は一方の基体２ａにおいて、凹所１０内の互いに対向する二つの内側面でそれぞれ開口するように設けられている。
【００２０】
このような筐体２の寸法は適宜設定することができるが、５〜１００ｍｍ×５〜１００ｍｍ×１〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。また、筐体２に設けられる上記空間９の寸法も適宜設定することができるが、前記筐体２の寸法に応じ、３〜９９ｍｍ〜３×９９ｍｍ×０．３〜１９ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００２１】
また、この筐体２の材質も特に制限されるものではないが、少なくともシリコン等の半導体からなる基板を加工して形成することが好ましい。このとき筐体２は半導体基板を加工したもののみから形成しても良く、またガラス等の他の材質のものと組み合わせて形成しても良い。
【００２２】
このような筐体２内には、表面又は内部に反応性物質が流通する流路を有すると共にこの流路に触媒活性物質が設けられた、前記筐体２とは別体の触媒反応部３を内装する。このため、半導体基板等の表面に触媒活性物質を直接設ける必要がなくなって、触媒活性物質を設けるにあたっての反応条件や薬剤等の制約がなくなり、触媒活性物質を設ける際に後述するような多孔質の基体を用いたりスラリー法等のような触媒活性物質の配置量を多くするための適宜の手法を採用することが可能となることから、触媒活性物質の表面積を十分に大きくすることが容易となるものである。
【００２３】
図１に示す例では、触媒反応部３は、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の触媒活性物質の成形体４にて形成することができる。このとき触媒活性物質としては、マイクロリアクタ１において、いかなる反応を生じさせるかに応じて、適宜選択されるものであるが、例えば反応性物質としてメタノールと水蒸気との混合物を用い、これから反応生成物として水素と二酸化炭素とを生じさせる反応を起こさせるマイクロリアクタ１を作製する場合には、触媒活性物質としてＣｕＯ、ＺｎＯ及びＡｌ2Ｏ3を含有する銅亜鉛系の触媒を用いることができる。そして、このような触媒活性物質の粉末を成形したものを焼結させることで、多孔質の触媒活性物質の成形体４を得ることができるものである。
【００２４】
この触媒反応部３は、例えば上記筐体２の内部の空間９の寸法と一致する寸法、或いはこれよりも小さい寸法となるように形成される。そして、このような触媒反応部３を、筐体２を構成する一方の基体２ａの凹所１０内に配置し、この状態で他方の基体２ｂを、前記凹所１０を閉塞するように前記一方の基体２ａに接合することで、マイクロリアクタ１が形成される。
【００２５】
基体２ａ，２ｂ同士を接合するための手法としては、適宜のものを採用することができるが、例えば陽極接合にて行うことができる。
【００２６】
このように形成されるマイクロリアクタ１では、流体の反応性物質に所望の化学反応を生じさせるにあたり、まず反応性物質を流入口１１から内部へ導入する。導入された反応性物質は、触媒反応部３に達し、この触媒反応部３を構成する成形体４内部の連続細孔を流通する。すなわち、前記連続細孔が、成形体４の内部における反応性物質の流路となる。そして、反応性物質は、前記流路を流通することにより触媒反応部３を構成する触媒活性物質によって化学反応が促進され、所望の反応生成物を得ることができる。このようにして生成された反応生成物は流出口１２からマイクロリアクタ１外へ導出されることとなる。
【００２７】
また、このように多孔質の触媒反応部３を形成する場合には、触媒活性物質以外の物質により反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の基体５を作製し、この基体５に触媒活性物質を担持することで触媒反応部３を作製しても良い。
【００２８】
上記多孔質の基体５としては、適宜のものを用いることができるが、例えばアルミナ等のセラミックスの焼結体を用いることができる。
【００２９】
このような多孔質の基体５に触媒活性物質を担持させるためには、スラリー法等の適宜の手法が採り得る。例えば、触媒活性物質或いはその前駆体を水に分散させたスラリーを調製し、このスラリーを前記基体５に塗布したりこの基体５を前記スラリー中に浸漬したりすることでこのスラリーを前記基体５に含浸させ、次いでこの基体５を適宜の雰囲気・温度で焼成することで、基体５に触媒活性物質を担持させることができる。
【００３０】
具体的な一例を挙げると、反応性物質としてメタノールと水蒸気との混合物を用い、マイクロリアクタ１において水蒸気改質反応により反応生成物として水素リッチな改質ガスを得る場合（すなわち、マイクロリアクタを燃料電池等における改質反応器として形成する場合）には、例えばＣｕ、ＺｎＯ及びＡｌ2Ｏ3の粉末を蒸留水中に分散させてスラリーを調製し、このスラリーを基体５に含浸させた後乾燥する操作を複数回繰り返した後、この基体５を空気雰囲気中で１５０〜４００℃で３０〜３００分間焼成し、次いで水素雰囲気中で１５０〜４００℃で３０〜３００分間で還元することにより、多孔質の基体５に触媒活性物質が担持された触媒反応部３を得ることができるものである。
【００３１】
このように触媒活性物質を担持した多孔質の基体５にて触媒反応部３を形成すると、触媒反応部３の材料や製造法に関する制約が少なくなり、種々の多孔質の基体５を用いて触媒反応部３を形成することができる。すなわち、触媒活性物質として、それ自体では多孔質の成形体を形成することが困難なものを用いる場合でも、触媒活性物質自体を成形するのではなく、多孔質の基体５として高い表面積を有するものを選択して用い、この基体５に触媒活性物質を担持させることで、基体５に担持される触媒活性物質の表面積を大きくし、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００３２】
このように形成されるマイクロリアクタ１でも、流体の反応性物質に所望の化学反応を生じさせるにあたり、まず反応性物質を流入口１１から内部へ導入する。導入された反応性物質は、触媒反応部３に達し、この触媒反応部３を構成する基体５内部の連続細孔を流通する。すなわち、前記連続細孔が、基体５の内部における反応性物質の流路となる。そして、反応性物質は、前記流路を流通することにより基体５に担持された触媒活性物質によって化学反応が促進され、所望の反応生成物を得ることができる。このようにして生成された反応生成物は流出口１２からマイクロリアクタ１外へ導出されることとなる。
【００３３】
上記のように多孔質の成形体４や基体５にて構成される多孔質の触媒反応部３は、反応性物質の流路となる連続細孔の細孔径が０．１ｎｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましい。このような細孔径を有する触媒反応部３はその表面積が大きくなり、このため細孔を流通する反応性物質と触媒活性物質との接触面積が大きくなって、反応効率が増大する。このため、マイクロリアクタ１の体積に比して非常に高い反応効率で反応性物質を反応させることができる。また、このような高い反応効率を維持しつつ、同時に触媒反応部３の細孔における反応性物質の流通量を十分に確保することができるものである。
【００３４】
また、図２，３に示す例では、触媒反応部３は、多孔質の触媒活性物質にて形成されているものであり、例えば多孔質の触媒活性物質の成形体７にて触媒反応部３を形成することができる。このとき触媒活性物質としては、図１に示す例と同様に、マイクロリアクタ１において、いかなる反応を生じさせるかに応じて、適宜選択されるものであり、また触媒活性物質の成形体７を作製するにあたっては、上記図１に示す場合において触媒活性物質の成形体４を作製する場合と同様に触媒活性物質の粉末を焼結させることにより得ることができる。
【００３５】
また、この触媒反応部３を構成する成形体７には、反応性物質が流通可能な溝部６が設けられている。
【００３６】
図２に示す例では、溝部６は成形体７の一面に平行並列に複数設けられており、成形体７の両端面において各溝部６が開口している。
【００３７】
この触媒反応部３を、前記各溝部６の一端が流入口１１側、他端が流出口１２側に配置されるように一方の基体２ａの凹所１０に配置し、この状態で他方の基体２ｂを凹所１０を閉塞するように一方の基体２ａに接合して、マイクロリアクタ１が形成される。基体２ａ，２ｂ同士の接合は図１に示す例と同様に陽極接合等の適宜の手法を採用できる。
【００３８】
このとき、触媒反応部３が筐体２の内部の空間９に内装されることから、触媒反応部３の一面における溝部６の上部開口は前記空間９の内面（図示の例では基体２ｂの下面）によって閉塞されて平行並列な複数の流路が形成され、また各溝部６の両端はそれぞれ流入口１１及び流出口１２と連通することとなる。このとき、例えば触媒反応部３の両端面における各溝部６の開口と、流入口１１及び流出口１２がそれぞれ形成されている前記空間９の内面（凹所１０の互いに開口する両側の内側面）との間に、若干の隙間が形成されるようにすることで、各溝部６の両端をそれぞれ流入口１１及び流出口１２に連通させることができる。
【００３９】
このように形成されるマイクロリアクタ１では、流体の反応性物質に所望の化学反応を生じさせるにあたり、まず反応性物質を流入口１１から内部へ導入する。導入された反応性物質は、触媒反応部３に達し、この触媒反応部３を構成する触媒活性物の成形体７の各溝部６に分岐して流入し、この溝部６内を流通する。すなわち、前記溝部６が、成形体７の内部における反応性物質の流路となる。そして、反応性物質は、前記流路を流通することにより成形体７を構成する触媒活性物質によって化学反応が促進され、所望の反応生成物を得ることができる。このようにして生成された反応生成物は流出口１２からマイクロリアクタ１外へ導出されることとなる。
【００４０】
このように溝部６を有する触媒活性物質の成形体７にて触媒反応部３を形成すると、この溝部６によって、反応性物質が流通可能な流路として所望の流路径を有するものを形成することができ、このため、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減することができる。また、触媒活性物質自体にて反応性物質の流路を形成することができて、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができるものである。
【００４１】
また、図３に示す例では、溝部６は成形体７の一面に平行並列に複数設けられており、成形体７の両端面において各溝部６が開口している。この触媒反応部３の溝部６は、流入口１１と流出口１２とを結ぶ線と直交するように、平行並列に設けられる。また、隣接する各溝部６同士は、その一端同士の間と他端同士の間とを順次交互に切欠いた形状の連通部１３を設けて連通されている。
【００４２】
この触媒反応部３を、一方の端部に設けられている溝部６が流入口１１側に、他方の端部に設けられている溝部６が流出口１２側にそれぞれ配置されるようにして一方の基体２ａの凹所１０に配置し、この状態で他方の基体２ｂを凹所１０を閉塞するように一方の基体２ａに接合して、マイクロリアクタ１が形成される。このとき、触媒反応部３が筐体２の内部の空間９に内装されることから、触媒反応部３の一面における溝部６の開口と、この溝部６の両端の開口とが、前記空間９の内面によって閉塞されて、この空間９の内側に蛇行状の流路が形成され、この流路は一端側が流入口１１に、他端側が流出口１２にそれぞれ連通することとなる。このとき、例えば触媒反応部３の両端面と、流入口１１及び流出口１２がそれぞれ形成されている前記空間９の内面（凹所１０の互いに開口する両側の内側面）との間には、若干の隙間が形成されるようにし、触媒反応部３の両端の各溝部６には、この各溝部６と前記隙間とを連通する切欠き状の連通部１３を設けるなどして、流路を流入口１１と流出口１２とに連通させることができる。
【００４３】
このように形成されるマイクロリアクタ１では、流体の反応性物質に所望の化学反応を生じさせるにあたり、まず反応性物質を流入口１１から内部へ導入する。導入された反応性物質は、触媒反応部３に達し、この触媒反応部３を構成する触媒活性物の成形体７の各溝部６で構成される蛇行状の流路に流入し、この流路内を流通する。そして、反応性物質は、前記流路を流通することにより成形体７を構成する触媒活性物質によって化学反応が促進され、所望の反応生成物を得ることができる。このようにして生成された反応生成物は流出口１２からマイクロリアクタ１外へ導出されることとなる。
【００４４】
このように溝部６を有する触媒活性物質の成形体７にて触媒反応部３を形成すると、この溝部６によって、反応性物質が流通可能な流路として所望の流路径を有するものを形成することができ、このため、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減することができる。また、触媒活性物質自体にて反応性物質の流路を形成することができて、マイクロリアクタ１の体積に比して高い反応効率を達成することができる。更に、上記反応性物質が流通する流路は蛇行状に形成されていることから流路長を長くすることができ、このため更に反応効率を向上することができるものである。
【００４５】
また、上記図２，３に示す様な構成において、触媒活性物質以外の物質により反応性物質が流通可能な溝部６を有する基体８を作製し、この基体８に触媒活性物質を担持することで触媒反応部３を作製しても良い。
【００４６】
上記基体８としては、適宜のものを用いることができるが、例えばアルミナ等のセラミックスの焼結体を用いることができる。
【００４７】
このような基体８に触媒活性物質を担持させるためには、スラリー法等のように図１に示す場合における基体５に触媒を担持する場合と同様の適宜の手法を採用することができる。
【００４８】
このように触媒活性物質を担持した溝部６を有する基体８にて触媒反応部３を形成すると、触媒反応部３の材料や製造法に関する制約が少なくなり、種々の基体８を用いて触媒反応部３を形成することができる。すなわち、触媒活性物質として、それ自体では成形体を形成することが困難なものを用いる場合でも、触媒活性物質自体を成形するのではなく、適宜の基体８を形成し、この基体８に触媒活性物質を担持させることで、基体８の溝部６によって、反応性物質が流通可能な流路として所望の流路径を有するものを形成して反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の圧力損失を著しく低減すると共に、基体８に担持された触媒活性物質によって反応性物質の反応を促進することができるものである。
【００４９】
上記のように溝部６を有する成形体７や基体８にて触媒反応部３を形成する場合には、この溝部６にて形成される流路径、すなわちこの流路における反応性物質の流通方向と直交する断面形状に外接する仮想的な円の径が、５０μｍ〜１ｍｍの範囲となるようにすることが好ましい。このようにすると、反応性物質をマイクロリアクタ１内に流通させる際の低い圧力損失を維持しつつ、流路内を流通する反応性物質と触媒活性物質との接触を十分に確保して反応性物質の反応効率を更に向上することができるものである。
【００５０】
以上のような本発明に係るマイクロリアクタ１では、触媒活性物質を有する流路が形成された触媒反応部３が、マイクロリアクタ１の外装を構成する筐体２とは別体に設けられているために、筐体２を構成する部材、例えば上記各実施形態のように基体２ａ，２ｂに、反応性物質の流路や触媒活性物質を直接設ける必要がなくなる。このため、このような筐体２を構成する部材に反応性物質の流路や触媒活性物質を設ける場合に部材同士の接合面を保護するために必要とされるフォトレジスト形成等のようなマスキング処理が必要なくなり、製造工程を簡略化することができると共にそれに伴って歩留まりを向上することができるものである。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明を実施例により詳述する。
【００５２】
（実施例１）
Ａｌ2Ｏ3からなる三次元網目構造の連続通孔を有する多孔質セラミックスを８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの寸法に裁断して多孔質の基体５を形成した。この基体５の平均細孔径は、５０μｍであった。
【００５３】
この基体５を、触媒活性粉末（ズードケミー触媒株式会社製「ＭＤＣ−３」、Ｃｕ：ＺｎＯ：Ａｌ2Ｏ3の質量比４２：４７：１０）を蒸留水と混合したスラリー中に浸漬した後、ヒートガンにて余剰のスラリーを除去することにより乾燥した。この浸漬及び乾燥操作を５回繰り返した後、空気雰囲気下で３００℃で１８０分間焼成し、次いで水素雰囲気下で２５０℃で１８０分間還元処理を施すことで、触媒反応部３を形成した。
【００５４】
一方、基体２ａしては１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．５ｍｍの寸法を有すると共にこの基体２ａには８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの寸法の凹所１０を形成し、且つこの凹所１０と連通する流入口１１及び流出口１２を設けた。また基体２ｂとしては１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍの寸法を有するものを用いた。このとき基体２ａはガラス基板にサンドブラスト加工にて凹所１０を形成することにより作製し、また基体２ｂはシリコン基板を切断加工することで作製した。
【００５５】
そして、基体２ａの凹所１０に触媒反応部３を配置し、この状態で基体２ａと基体２ｂとを陽極接合にて接合した。これにより、基体２ａ，２ｂで構成される筐体２の内部の空間９に触媒反応部３を内装し、図１に示す様な構成のマイクロリアクタ１を形成した。
【００５６】
（実施例２）
Ａｌ2Ｏ3からなる三次元網目構造の連続通孔を有する多孔質セラミックスを８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの寸法に裁断し、更にフライス加工により開口幅０．１ｍｍ、長さ８ｍｍ、深さ０．７ｍｍの複数の溝部６を０．１５ｍｍの間隔をあけて平行並列に形成して、図２に示すような基体８を形成した。
【００５７】
この基体８をに対し、実施例１と同様のスラリー法により触媒活性粉末を担持させて、触媒反応部３を形成した。
【００５８】
一方、基体２ａ，２ｂとしては実施例１と同様のものを用い、基体２ａの凹所１０に触媒反応部３を配置し、この状態で基体２ａと基体２ｂとを陽極接合することで接合した。
【００５９】
これにより、基体２ａ，２ｂで構成される筐体２の内部の空間９に触媒反応部３を内装し、図２に示すような構成のマイクロリアクタ１を形成した。
【００６０】
（実施例３）
Ａｌ2Ｏ3からなる三次元網目構造の連続通孔を有する多孔質セラミックスを８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの寸法に裁断し、更にフライス加工により開口幅０．１ｍｍ、長さ８ｍｍ、深さ０．７ｍｍの寸法を有する複数の溝部６を０．１５ｍｍの間隔をあけて平行並列に形成すると共に、各溝部６同士を、その一端同士の間と他端同士の間とを順次交互に切欠いて連通部１３にて連通させて、図３に示すような基体８を形成した。
【００６１】
この基体８に対して、実施例１と同様のスラリー法により触媒活性粉末を担持させて、触媒反応部３を形成した。
【００６２】
一方、基体２ａ，２ｂとしては実施例１と同様のものを用い、基体２ａの凹所１０に触媒反応部３を配置し、この状態で基体２ａと基体２ｂとを陽極接合にて接合した。
【００６３】
これにより、基体２ａ，２ｂで構成される筐体２の内部の空間９に触媒反応部３を内装し、図３に示すような構成のマイクロリアクタ１を形成した。
【００６４】
（比較例１）
基体２ａ’として実施例１と同様の材質及び手法にて１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．５ｍｍの寸法を有するものを形成し、この基体２ａ’の一面の８ｍｍ×８ｍｍの寸法の領域に、フライス加工により開口幅０．１ｍｍ、長さ８ｍｍ、深さ０．７ｍｍの寸法を有する複数の溝部６’を平行並列に形成すると共に、その両端に各溝部６’の端部を連通する空間を形成し、更に各空間を外部と連通するように基体２ａ’の両端に流入口１１と流出口１２とを形成した。
【００６５】
この基体２ａ’に対して上記溝部６’の内面以外の部位にフォトレジストによるマスキングを施し、この状態で溝部６’の内面に実施例１と同一の触媒活性粉末を１．５０質量部、テトラエトキシシランを１．８０質量部、硝酸を０．０２質量部、エタノールを３．９８質量部、蒸留水を７．７８質量部の割合で混合したものを注入し、１１０℃で２時間乾燥した後、空気雰囲気下で３００℃で１８０分間焼成し、次いで水素雰囲気下で２５０℃で１８０分間還元することで、触媒活性物質を担持させた。次いで、前記フォトレジストを除去した。
【００６６】
一方、基体２ｂ’としては、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍの寸法を有するものを形成し、この基体２ｂ’を上記基体２ａ’に陽極接合にて接合して、基体２ｂにて上記溝部６’を閉塞した。これにより図４に示すようなマイクロリアクタ１’を形成した。
【００６７】
（試験）
上記各実施例及び比較例におけるマイクロリアクタ１に、流入口１１からメタノールと水蒸気との混合ガス（反応性物質）を導入すると共にこのマイクロリアクタ１を加熱し、水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガス（反応生成物）を生成させて流出口１２から導出させた。
【００６８】
このとき、混合ガスとしてはメタノール：水蒸気のモル比が１：２となる組成を有するものを用い、混合ガスのマイクロリアクタ１への流入量は２μＬ／ｍｉｎとし、またマイクロリアクタ１の加熱温度は２５０℃とした。
【００６９】
そして、各実施例及び比較例につき、得られた改質ガス中の成分をガスクロマトグラフィーにより分析し、その結果に基づいてＣＨ3ＯＨ転化率と水素収率とを導出した。ここでＣＨ3ＯＨ転化率は、マイクロリアクタ１へ導入したメタノールの流量から、マイクロリアクタ１から導出されるメタノールの流量を減じた値を、マイクロリアクタ１へ導入したメタノールの流量で除した値、即ち｛（入口メタノール流量）−（出口メタノール流量）｝／（入口メタノール流量）の値である。また水素収率は、マイクロリアクタ１から導出された水素流量を、理論的に算出される水素流量で除した値、すなわち、（出口水素流量）／（理論水素流量）の値である。
【００７０】
この結果を下記表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
この結果から分かるように、実施例１〜３の各マイクロリアクタ１では、マスキング工程を経ずに製造され、且つ高い反応効率を有するものであった。また、従来方法にて形成される比較例１と較べても高い反応効率を有するものであった。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態の他例を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態の更に他例を示す分解斜視図である。
【図４】比較例１におけるマイクロリアクタの構成を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ マイクロリアクタ
２ 筐体
３ 触媒活性物質
４ 成形体
５ 基体
６ 溝部
８ 基体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも半導体基板を加工して形成した筐体内に、表面又は内部に反応性物質が流通する流路を有すると共に前記流路に触媒活性物質が設けられた、前記筐体とは別体の触媒反応部を内装することを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
上記触媒反応部が、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の触媒活性物質の成形体にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項３】
上記触媒反応部が、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の基体に触媒活性物質を担持して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマクロリアクタ。
【請求項４】
上記多孔質の触媒反応部の細孔径が０．１ｎｍ〜１００μｍの範囲であることを特徴とする請求項２又は３に記載のマイクロリアクタ。
【請求項５】
上記触媒反応部が、反応性物質が流通可能な溝部を有する触媒活性物質にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項６】
上記触媒反応部が、反応性物質が流通可能な溝部を有する基体の前記溝部内に触媒活性物質を担持したものであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項７】
上記溝部にて構成される反応性物質の流路径が５０μｍ〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項５又は６に記載のマイクロリアクタ。
【請求項１】
少なくとも半導体基板を加工して形成した筐体内に、表面又は内部に反応性物質が流通する流路を有すると共に前記流路に触媒活性物質が設けられた、前記筐体とは別体の触媒反応部を内装することを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
上記触媒反応部が、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の触媒活性物質の成形体にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項３】
上記触媒反応部が、反応性物質が流通可能な連続細孔を有する多孔質の基体に触媒活性物質を担持して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマクロリアクタ。
【請求項４】
上記多孔質の触媒反応部の細孔径が０．１ｎｍ〜１００μｍの範囲であることを特徴とする請求項２又は３に記載のマイクロリアクタ。
【請求項５】
上記触媒反応部が、反応性物質が流通可能な溝部を有する触媒活性物質にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項６】
上記触媒反応部が、反応性物質が流通可能な溝部を有する基体の前記溝部内に触媒活性物質を担持したものであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項７】
上記溝部にて構成される反応性物質の流路径が５０μｍ〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項５又は６に記載のマイクロリアクタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１７５３６１（Ｐ２００６−１７５３６１Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７１４８０（Ｐ２００４−３７１４８０）
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構 民間基盤技術研究促進事業委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構 民間基盤技術研究促進事業委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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