反応装置、発電装置、電子機器及び触媒定着方法
【課題】水素等の燃焼燃料が局所的に燃焼することを抑える。
【解決手段】マイクロ反応装置１は、基板３０，４０，５０を積層してこれらを接合したものである。基板３０と基板４０には、改質路３４，４４が形成され、改質路３４，４４において改質反応が起きる。基板５０には、燃焼路５４が形成され、燃焼路５４において水素の触媒燃焼が起きる。燃焼路５４には燃焼触媒５７が定着されている。燃焼触媒５７は、活性成分としての白金を含む触媒組成物５７ｂが担持体５７ａに担持されてなるものである。担持体５７ａが膜状に設けられ、その上に触媒組成物５７ｂが間隔をおいて点在している。
【解決手段】マイクロ反応装置１は、基板３０，４０，５０を積層してこれらを接合したものである。基板３０と基板４０には、改質路３４，４４が形成され、改質路３４，４４において改質反応が起きる。基板５０には、燃焼路５４が形成され、燃焼路５４において水素の触媒燃焼が起きる。燃焼路５４には燃焼触媒５７が定着されている。燃焼触媒５７は、活性成分としての白金を含む触媒組成物５７ｂが担持体５７ａに担持されてなるものである。担持体５７ａが膜状に設けられ、その上に触媒組成物５７ｂが間隔をおいて点在している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸熱を起こす処理器と前記処理器に重ねられた燃焼器を有する反応装置、その反応装置を備えた発電装置及びその発電装置を備えた電子機器に関するとともに、その燃焼器に触媒を定着させる触媒定着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料の電気化学反応により電力を取り出すものであり、燃料電池の研究・開発が広く行われている。燃料電池に用いる燃料は水素ガスであり、メタノール等の原燃料を改質器で改質することでその水素ガスを生成している。また、エネルギーの利用効率を高めるために、燃料電池から排出される未反応の水素ガスを燃焼器で燃焼させ、その燃焼熱によって改質器を加熱することが行われている。
【０００３】
図１６に従来の燃焼器の構成を模式的に示す。図１６（ａ）は従来の燃焼器の部分断面図であり、図１６（ｂ）はその燃焼器における燃焼路の平面図である。
図１６（ａ）に示すように、燃焼器５００の内部には燃焼路５０１が形成されており、その燃焼路５０１に白金等の触媒５０２が定着されている。その燃焼路５０１に水素や酸素等が流れると、水素が燃焼して燃焼熱が発し、その反応速度は非常に速い。燃焼路５０１に触媒５０２を定着するには、スラリーを筆等の塗布部材によって燃焼路５０１に塗り付ける方法又はディップコート法若しくはスピンコート法が一般的に用いられている。
【０００４】
また、燃料電池にも触媒が用いられており、その触媒を塗布する方法としてインクジェット法を用いたものがある（特許文献１）。特許文献１に記載された方法を燃焼器の触媒の塗布方法に応用すれば、燃焼路５０１に触媒５０２を定着することができる。
【特許文献１】特開２００５−２６７９１６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、ディップコート法等を用いると、燃焼路５０１の側壁面における段差によって、図１６（ｂ）に示すように触媒５０２の周囲部５０３が厚くなってしまい、その部分で局所的に水素が燃焼してしまう。その結果、局所的に高温になってしまう部分が存在する。また、インクジェット法を用いた方法でも、着弾した触媒の液滴と液滴との間に更に触媒の液滴を吐出するので、液滴の滲み等によって厚さが均一にならず、局所的に高温になってしまう現象が起こる。そのため、燃焼路が熱破壊してしまう場合もある。
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、水素等の燃焼燃料が局所的に燃焼することを抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、反応装置において、吸熱を起こす処理器と、前記処理器に重ねられ、燃焼燃料と酸化剤が流れる燃焼路を形成した燃焼器と、を備え、活性成分としての触媒組成物が間隔をあけて前記燃焼路の壁面に定着されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物の単位面積当たりの量がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記触媒組成物がドット状となって前記燃焼路の壁面に点在し、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の反応装置において、前記燃焼路の壁面に担持体が膜状に成膜され、前記触媒組成物が前記担持体に担持されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記燃焼路の壁面に担持体がドット状に点着され、前記触媒組成物が前記担持体に担持されることで前記触媒組成物がドット状に点在し、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明は、発電装置において、請求項１〜５の何れか一項に記載の反応装置と、前記反応装置により生成された燃料により発電を行う発電セルとを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項７に係る発明は、電子機器において、請求項６に記載の発電装置と、前記発電装置によって発電された電気により動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に係る発明は、触媒定着方法において、吸熱を起こす処理器に、燃焼燃料と酸化剤が流れる燃焼路を形成した燃焼器を重ねてなる反応装置において、活性成分としての触媒組成物を、間隔をあけて前記燃焼路の壁面に定着させることを特徴とする。
【００１４】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物の単位面積当たりの量をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする。
【００１５】
請求項１０に係る発明は、請求項８に記載の触媒定着方法において、前記触媒組成物をドット状に前記燃焼路の壁面に点在させ、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする。
【００１６】
請求項１１に係る発明は、請求項８から１０の何れか一項に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の壁面に担持体を膜状に成膜した後に、前記触媒組成物を前記担持体に担持させることを特徴とする。
【００１７】
請求項１２に係る発明は、請求項８に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の壁面に担持体をドット状に点着させ、前記担持体を被覆するように触媒組成物を塗布した後に、前記担持体に担持された触媒組成物を除いて前記触媒組成物を除去することによって前記触媒組成物をドット状に点在させることを特徴とする。
【００１８】
請求項１３に係る発明は、請求項１２に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の壁面にゾル状の担持体をドット状に点着させ、前記担持体の乾燥後に触媒組成物を含有したスラリーを塗布して前記担持体を被覆することを特徴とする。
【００１９】
請求項１４に係る発明は、請求項１２に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の壁面にゾル状の担持体をドット状に点着させ、前記担持体の乾燥前に粉末状の触媒組成物を塗布して前記担持体を被覆することを特徴とする。
【００２０】
請求項１５に係る発明は、請求項１２から１４の何れか一項に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、触媒組成物が間隔をあけて燃焼路の壁面に定着されているので、触媒組成物が凝集することなく、燃焼燃料が局所的に燃焼せず、局所的に高温になることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００２３】
図１は、本発明が適用される発電装置９００を電子機器本体１０００とともに示したブロック図である。この発電装置９００は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体１０００を動作させるための電源として用いられる。
【００２４】
発電装置９００は、燃料カートリッジ９０１と、気化器９０２と、マイクロ反応装置（反応装置）１と、燃料電池型の発電セル９０３と、発電セル９０３により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ９０４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０４に接続される二次電池９０５と、それらを制御する制御部９０６と、を備える。燃料カートリッジ９０１には、メタノール、エタノール、ブタン、ジメチルエーテル等の燃料と水が別々に又は混合した状態で貯留されている。燃料カートリッジ９０１内の燃料と水は、図示しないマイクロポンプにより気化器９０２に供給され、燃料と水が気化器９０２にて気化される。
【００２５】
マイクロ反応装置１は、吸熱反応を発生させる改質器２と、発熱反応を発生させるＣＯ除去器３と、発熱反応を発生させる燃焼器４とを有する。
【００２６】
気化器９０２で気化した燃料と水はマイクロ反応装置１の改質器２に流れ込む。改質器２においては燃料と水が改質触媒により改質反応を起こし、水素ガスが生成されるとともに僅かながら一酸化炭素ガスも生成される（燃料がメタノールの場合には、下記化学式（１）、（２）を参照。）。改質器２で生成された水素ガス等はＣＯ除去器３に送られ、更に外部の空気（酸化剤）（空気には、酸化剤である酸素が含まれている。）がＣＯ除去器３に送られる。ＣＯ除去器３においては、一酸化炭素ガスが選択酸化触媒により優先的に酸化する選択酸化反応が起こり、一酸化炭素ガスが除去される（下記化学式（３）を参照）。ＣＯ除去器３を経た水素ガス等は発電セル９０３の燃料極に供給され、発電セル９０３の酸素極には空気が供給される。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2・・・（１）
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ・・・（２）
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2・・・（３）
【００２７】
発電セル９０３は、燃料極と、酸素極と、燃料極と酸素極の間に挟持された電解質膜とを備える。燃料極に送られたガス中の水素と、酸素極に送られた空気中の酸素が、電解質膜を介して電気化学反応をすることにより、発電セル９０３において電力が生じる。なお、電解質膜が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、燃料極では次式（４）のような反応が起き、燃料極で生成された水素イオンが電解質膜を透過し、酸素極では次式（５）のような反応が起こる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（４）
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ …（５）
【００２８】
ここで、発電セル９０３の燃料極に供給された水素ガスは全てが反応しない方が高効率であり、残留した水素ガスは燃焼器４に供給される。水素ガスの他に空気（空気には、酸化剤である酸素が含まれている。）も燃焼器４に供給される。燃焼器４に供給された水素ガスは燃焼燃料であり、燃焼器４内において水素ガスが燃焼触媒により酸化し、燃焼熱が発生する。燃焼器４で発生した熱とＣＯ除去器３で所定の温度で一酸化炭素除去反応を維持する熱の差分が改質器２における反応に用いられ、これにより改質器２やＣＯ除去器３が所定の温度で動作する。例えば、改質器２が３００℃で動作し、ＣＯ除去器３が１００℃で動作する。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９０４は、発電セル９０３により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器本体１０００に供給する機能を有する。更に、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０４は、発電セル９０３により生成された電気エネルギーを二次電池９０５に充電し、発電セル９０３やマイクロ反応装置１等が動作していない時に、二次電池９０５に蓄電された電気エネルギーを電子機器本体１０００に供給する機能も果たせるようになっている。制御部９０６は気化器９０２、マイクロ反応装置１、発電セル９０３を運転するために必要な図示しないポンプやバルブ類、ヒータ類のほか、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０４等を制御し、電子機器本体１０００に安定して電気エネルギーを供給するような制御を行う。
なお、図１では、燃料としてメタノールを使用する場合について、反応物や生成物を示している。
【００３０】
図２は、マイクロ反応装置１の断面図である。
図２に示すように、このマイクロ反応装置１の反応装置本体１１が断熱パッケージ１２内に収容されている。複数の管１４が断熱パッケージ１２を貫通して反応装置本体１１に連結している。また、複数のリード線１３が断熱パッケージ１２を貫通して反応装置本体１１まで配索されている。管１４及びリード線１３が断熱パッケージ１２を貫通した箇所は、低融点ガラス封着剤によって気密封止されている。管１４はガラスで形成されており、管１４と断熱パッケージ１２が同じ材料で形成されている。
【００３１】
断熱パッケージ１２は、有底箱形の２つのガラス容器２１，２２の開口を向かい合わせてこれらガラス容器２１，２２を低融点ガラス封着剤で接合したものである。そのため、断熱パッケージ１２は、密閉中空を内側に有した箱体である。断熱パッケージ１２の密閉空間は、真空引きされて真空状態となっている。断熱パッケージ１２の内壁面には、図示しない赤外線反射膜が成膜されている。赤外線反射膜は、スパッタによるＣｒの膜を下地とし、スパッタによるＡｕの膜をそのＣｒの膜の上に積層したものである。断熱パッケージ１２内には図示しないゲッターポンプが設けられ、ゲッターポンプのゲッター材を高周波誘導加熱等により活性させることで、高温運転時に壁面から発生する吸着ガス等がゲッター材に吸着し、断熱パッケージ１２内の真空度が保たれている。なお、断熱パッケージ１２は、ガラス製でなくとも良く、例えば金属製又はセラミック製であっても良い。赤外線反射膜は、断熱パッケージ１２よりも赤外線の反射率が高ければＣｒとＡｕの積層でなくても良く、Ａｇ、Ａｌといった他の金属膜であっても良い。
【００３２】
反応装置本体１１は、３枚の基板３０，４０，５０を積層してこれらを接合したものである。基板３０，４０，５０は、アルカリ金属（Ｎａ、Ｌｉ等）を含有したガラス基板である。例えば、基板３０，４０，５０は、パイレックス（登録商標）ガラスからなる基板である。基板３０と基板４０との間には図示しない金属膜が介在し、その金属膜により基板３０と基板４０が陽極接合されている。同様に、基板４０と基板５０との間には図示しない金属膜が介在し、その金属膜により基板４０と基板５０が陽極接合されている。
【００３３】
図３は、図２の切断線III−IIIに沿った面の矢視断面図である。図３に示すように、基板３０の１つの角部には切欠き３０ａが形成されている。基板３０には、矩形状の貫通孔３１が形成されている。基板３０の下面、つまり、基板４０との接合面には、溝３２が凹設されている。溝３２は、基板３０の右縁から貫通孔３１の左側へ至る燃料導入路３３と、燃料導入路３３の端部３３ａに通じるとともに貫通孔３１の左側において葛折り状になった改質路３４と、改質路３４の端部３４ａから基板３０の右縁に至る、一酸化炭素除去反応の酸化剤である空気が導入されるＣＯ除去用空気導入路３５と、ＣＯ除去用空気導入路３５の空気と改質器３４で改質した改質ガスとの混合部３５ａから分岐して基板３０の右縁に至る葛折り状の一酸化炭素除去路３６とからなる。
【００３４】
図２に示すように、改質路３４の壁面には、改質触媒３７が定着されている。改質触媒３７は、触媒組成物（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒組成物）を溶媒に分散させた触媒分散液を改質路３４の壁面にコーティングすることで担持されたものであったり、ゾルゲル法等により改質路３４の壁面に成膜された酸化物（例えば、アルミナ）に対して触媒分散液をコーティングして担持されたものであったりする。
【００３５】
一酸化炭素除去路３６の壁面には、選択酸化触媒３８が定着されている。選択酸化触媒３８は、触媒組成物（例えば、白金系触媒組成物）を溶媒に分散させた触媒分散液を一酸化炭素除去路３６の壁面にコーティングすることで担持されたものであったり、ゾルゲル法等により一酸化炭素除去路３６の壁面に成膜された酸化物（例えば、アルミナ）に対して触媒分散液をコーティングして担持されたものであったりする。
【００３６】
図４は、図２の切断線IV−IVに沿った面の矢視断面図である。図４に示すように、基板４０には、貫通孔３１に相対する矩形状の貫通孔４１が形成されている。基板４０の上面、つまり、基板３０との接合面には、溝４２が凹設されている。溝４２は、燃料導入路３３に相対する燃料導入路４３と、改質路３４に相対する改質路４４と、ＣＯ除去用空気導入路３５に相対するＣＯ除去用空気導入路４５と、一酸化炭素除去路３６に相対する一酸化炭素除去路４６とからなる。図２に示すように、改質路４４の壁面には、改質触媒４７が定着され、一酸化炭素除去路３６の壁面には、選択酸化触媒４８が定着されている。
【００３７】
基板３０と基板４０が接合されることで、燃料導入路３３が燃料導入路４３に、改質路３４が改質路４４に、ＣＯ除去用空気導入路３５がＣＯ除去用空気導入路４５に、一酸化炭素除去路３６が一酸化炭素除去路４６に重なる。反応装置本体１１のうち改質路３４，４４が形成された部分が、図１に示した改質器２となる。反応装置本体１１のうち一酸化炭素除去路３６，４６が形成された領域が、図１に示したＣＯ除去器３となる。
【００３８】
図２に示すように、基板４０の下面には、電熱線によるヒータ７０，７１がパターニングされている。ヒータ７０は、上又は下から投影視して改質路３４，４４の内側に収まるようにパターニングされていて、ヒータ７１は、上又は下から投影視して一酸化炭素除去路３６，４６の内側に収まるようにパターニングされている。ヒータ７０，７１の電気的特性（例えば、電気抵抗）がその温度に依存し、ヒータ７０，７１の電流や電圧を測定することによりヒータ７０，７１の温度が求まるので、ヒータ７０，７１が温度センサとしても機能する。ヒータ７０，７１は、基板４０と基板５０との接合界面に形成された陽極接合用金属膜から電気的に絶縁されている。ヒータ７０，７１はリード線１３に接続されている。
【００３９】
図５は、図２の切断線V−Vに沿った面の矢視断面図である。図５に示すように、基板５０の１つの角部には切欠き５０ａが形成されている。基板５０には、貫通孔４１に相対する矩形状の貫通孔５１が形成されている。更に、貫通孔５１の右側において、基板５０の上面に凹部５６が形成されている。基板５０の上面、つまり、基板４０との接合面には、溝５２が凹設されている。溝５２は、基板５０の右縁から貫通孔３１の左側へ至る燃料導入路５３と、基板５０の右縁から燃料導入路５３に合流する、燃焼反応の酸化剤となる空気の導入路である空気導入路５３ｂと、燃料導入路５３の端部５３ａに通じるとともに貫通孔５１の左側において葛折り状になった燃焼路５４と、燃焼路５４の端部５４ａから基板５０の右縁に至る排出路５５とからなる。
【００４０】
基板５０の上面が基板４０の下面に接合されることによって、溝５２が基板４０により塞がれている。図２に示すように、ヒータ７０は溝５２の燃焼路５４に収容され、ヒータ７１は凹部５６に収容されている。上から又は下から反応装置本体１１を投影視すると、燃焼路５４が改質路３４，４４に重なる。燃焼路５４の壁面には、燃焼触媒５７が定着されている。燃焼触媒５７については、後に詳述する。反応装置本体１１のうち燃焼路５４が形成された部分が、図１に示した燃焼器４となる。このような反応装置本体１１においては、改質器２が燃焼器４に重ねられている。
【００４１】
これら基板３０，４０，５０の接合体の右側面には、開口６３〜６８が形成され、開口６３〜６８のそれぞれに管１４が嵌め込まれ、その嵌め込み部分において管１４の周りが低融点ガラス封着剤で気密封止されている。開口６３が燃料導入路５３への燃焼燃料ガスの入口となり、開口６４が空気導入路５３ｂへの空気の入口となり、開口６５がＣＯ除去用空気導入路３５への空気の入口となり、開口６６が一酸化炭素除去路３６からの発電に使われる改質ガスの出口となり、開口６７が燃料導入路３３への燃料ガスの入口となり、開口６８が排出路５５からの排ガスの出口となる。図１において気化器９０２から送られてきた燃料と水の混合気（燃料ガス）は開口６７に流れ込み、発電に使われずに残った水素等の混合気（燃焼燃料ガス）であって発電セル９０３の陽極から送られてきた混合気は開口６３に流れ込む。また、外部から送られてきた空気は開口６４や開口６５に流れ込む。燃焼器４の排ガス（水等）は、開口６８から外部へ排出される。ＣＯ除去器３を経て得られた混合気（水素等）は、開口６６から発電セル９０３の燃料極へ発電に使われる改質ガスとして送られる。
【００４２】
燃焼触媒５７について説明する。燃焼触媒５７は、活性成分としての貴金属（例えば、白金）を含む触媒組成物が担持体（例えば、アルミナ）に担持されてなるものである。具体的には、燃焼触媒５７が図６、図７に示すように設けられている。図６は、燃焼路５４の一部の平面図であり、図６は、燃焼路５４の幅方向に沿った面の断面図である。なお、図６では等間隔に燃焼触媒５７が配置されているように示しているが、後述のようにドット密度を流路位置で変化するように配置してもよい。
【００４３】
図６、図７に示すように、基材となる基板５０の燃焼路５４の壁面が、膜状の担持体５７ａによって被覆されている。担持体５７ａは、アルミナからなる。担持体５７ａは、ゾルゲル法により成膜されたものであり、具体的にはアルミナゾルを燃焼路５４の壁面に塗布して乾燥によりゲル状にしたものである。
【００４４】
膜状の担持体５７ａに、ドット状の触媒組成物５７ｂが担持されている。平面視して、触媒組成物５７ｂが間隔をあけて担持体５７ａの上に点在し、下地となる担持体５７ａの一部が触媒組成物５７ｂの間で露出している。触媒組成物５７ｂは、白金等の貴金属のほかに、アルミナ等の担体を含むものである。触媒組成物５７ｂは、触媒含有スラリーを液滴状に多数回吐出する液滴吐出法（インクジェット法）によってドット状に担持されたものでもよいし、触媒含有スラリーをスポッタで多数回点着する方法によってドット状に担持されたものでもよい。なお、触媒組成物５７ｂがドット状に設けられているが、網目状にパターニングされ、下地となる担持体５７ａの一部が露出しても良い。
【００４５】
担持体５７ａが燃焼路５４の底一面に成膜されているが、担持体５７ａが膜状でなく所定の形状にパターニングされてもよい。例えば、図８に示すように、下地となる基板５０の一部が担持体５７ｃの間で露出するようパターニングされてもよい。図８に示すように、平面視して、ドット状の担持体５７ｃが間隔をあけて燃焼路５４の底に点在し、下地となる燃焼路５４の底の一部が担持体５７ｃの間で露出している。それぞれの担持体５７ｃに触媒組成物５７ｄが担持され、平面視してドット状の触媒組成物５７ｄが間隔をあけて点在し、燃焼路５４の底の一部が触媒組成物５７ｄの間で露出している。触媒組成物５７ｂと触媒組成物５７ｄは同じ成分であり、担持体５７ａと担持体５７ｃは同じ成分である。なお、担持体５７ｃがドット状に設けられているが、網目状にパターニングされ、更にその網目状の担持体に触媒組成物が担持されて、触媒組成物が網目状に設けられ、下地となる燃焼路５４の底の一部が露出しても良い。
【００４６】
ここで、後述のように、燃焼路５４の始点５３ａから燃焼路５４に沿った距離ｘの位置と、その位置における触媒組成物５７ｂ又は触媒組成物５７ｄのドット密度ｉとの関係が、式（６）で表されるようにすることが望ましい。
【００４７】
【数１】
【００４８】
式（６）において、ドット密度ｉは、燃焼路５４の始点５３ａから燃焼路５４に沿った距離ｘの関数である。式（６）は、始点５３ａから距離ｘの位置には、ドット密度ｉの触媒組成物５７ｂや触媒組成物５７ｄが担持されている（分布している）ことを表している。
【００４９】
ここで、式（６）において、Ｗ、Ｘ、αx、Ｒ1、Ｙ、Ｒ2、ＤW、ｈ、κ0、Ｒ、Ｔ、Ｅa、ＣO2、ｕ、Ｃ0(H2)は以下のことを表す。
Ｗ：非反応時所定温度維持に必要な熱量であって、
マイクロ反応装置１の構成・構造で決まる値
Ｘ：改質反応で投入される反応物のモル量であって、仕様値
αx：距離ｘの位置の微小領域における改質反応の反応率であって、
反応条件、構成で決まる仕様値
Ｒ1：改質反応の単位モルあたりの吸熱量であって、量論式から導かれる値
Ｙ：触媒燃焼反応での反応物のモル量であって、仕様値
Ｒ2:触媒燃焼反応の単位モルあたりの発熱量であって、量論式から導かれる値
ＤW:１ドットあたりの重量
ｈ：燃焼路５４の深さ
κ0：頻度因子
Ｒ：気体定数
Ｔ：温度
Ｅa：活性化エネルギー
ＣO2：酸素濃度
ｕ：平均流速
Ｃ0(H2)：初期水素濃度
【００５０】
式（６）について、以下に説明する。なお、ここでは単純化のために、ＣＯ除去器３での所定の温度で一酸化炭素除去反応を維持する為の熱収支の影響を考えない。
距離ｘの位置において、改質器２を所定の反応温度で運転するのに必要な熱量は、改質器２を反応温度に維持することと、改質反応による吸熱量の和であるから、式（７）で表される。これをグラフに表すと、例えば、図９の曲線Ａのように表される。
【００５１】
【数２】
【００５２】
一方、距離ｘの位置において、燃焼触媒５７の触媒燃焼により発生する熱量は、式（８）で表される。式（８）において、βxは、距離ｘの位置の微小領域における触媒燃焼反応の反応率であって、反応条件や構成で決まる仕様値である。
【数３】
【００５３】
距離ｘの位置において式（７）と式（８）が等しければ、吸熱と発熱の均衡をとることができ、触媒燃焼により改質器２を所定の反応温度で運転することができる。
【００５４】
ここで、微小領域空間での反応速度をγzとし、微小領域でのドット密度をｉとすると、次式（９）の反応速度式が成り立つ。式（９）において、ＲＴやＣＯ2の次数は反応次数と呼ばれ、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3を用いた水素燃焼反応で決まっている値であって実験値である。
【数４】
【００５５】
また、物質収支から式（１０）が成立する。
【数５】
【００５６】
式（９）と式（１０）から式（１１）、つまり、ドット密度ｉは（１２）のようになる。
【数６】
【数７】
式（１２）から、式（８）の熱量が式（７）の熱量に等しくなるようにする条件より、ドット密度ｉは式（６）のように求まる。
【００５７】
図９に対応するドット密度分布を模式的に示すと、図１０のようになる。
図１０に示すように、燃焼路５４の上流側から下流側に向けてドット密度が密から疎に連続的に変化するような分布となる。したがって、燃焼路５４の上流部（燃焼路５４の始点５３ａ近傍）に位置し且つ互いに隣接している触媒組成物５７ｂ（又は触媒組成物５７ｄ。以下、図１０において同じ。）間の距離Ｐ１は、中流部に位置し且つ互いに隣接している触媒組成物５７ｂ間の距離Ｐ２より短く、中流部の触媒組成物５７ｂ間の距離Ｐ２は下流部（燃焼路５４の終点端部５４ａ近傍）に位置し且つ互いに隣接している触媒組成物５７ｂ間の距離Ｐ３より短い。
【００５８】
以上のように、燃焼路５４の中の或る位置において、単位面積当たりの触媒組成物５７ｂや触媒組成物５７ｄの量はその位置における改質器２への吸熱量に対応させる。具体的に単位面積当たりの量としてドット密度を用いると、燃焼路５４の中の或る位置において単位面積当たりの触媒組成物５７ｂや触媒組成物５７ｄのドット密度を、式（６）に基づくようにその位置における改質器２への吸熱量（改質反応の反応率αx）に対応して配置することが望ましい。
【００５９】
次に、マイクロ反応装置１の製造方法について説明する。
まず、基板４０の両面に陽極接合用の金属膜をスパッタ法により成膜し、基板４０の下面にヒータ７０，７１をフォトリソグラフィ法、エッチング法等により形状加工し、ヒータ７０，７１と金属膜を絶縁させる。次に、フォトリソグラフィ法、サンドブラスト法により基板３０に貫通孔３１及び溝３２を加工する。貫通孔３１については両面からサンドブラスト加工を行うことで形成する。基板４０，５０についても基板３０と同様に貫通孔４１，５１及び溝４２，５２を形成する。そして、基板３０，４０，５０をダイシング加工により切り出す。
【００６０】
次に、基板３０にドライフィルムフォトレジストを貼り付け、フォトリソグラフィ法にて溝３２と同じ形状の加工をドライフィルムフォトレジストに加工する。次に、改質路３４の壁面に改質触媒３７を定着させ、一酸化炭素除去路３６の壁面に選択酸化触媒３８を定着させる。具体的には、触媒組成物（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒組成物）を溶媒に分散させた触媒分散液を改質路３４の壁面にコーティングする。別の方法として、ゾルゲル法等により改質路３４の壁面に酸化物（例えば、アルミナ）の密着性向上層を形成し、触媒分散液をその密着性向上層にコーティングする。選択酸化触媒３８の定着方法として、触媒組成物（例えば、白金系触媒組成物）を溶媒に分散させた触媒分散液を一酸化炭素除去路３６の壁面にコーティングする。別の方法として、ゾルゲル法等により一酸化炭素除去路３６の壁面に酸化物（例えば、アルミナ）の密着性向上層を形成し、その密着性向上層に触媒分散液をコーティングする。
【００６１】
基板４０についても基板３０と同様に、改質路４４の壁面に改質触媒４７を定着させ、一酸化炭素除去路４６の壁面に選択酸化触媒４８を定着させる。
【００６２】
触媒の定着後、基板３０，４０を１１０℃のホットプレート上で１時間乾燥させて水を蒸発させる。その後、基板３０，４０が室温に冷却されたら、ドライフィルムフォトレジストをピーリング法により剥離する。
【００６３】
基板５０の燃焼路５４の壁面に燃焼触媒５７を定着させる方法について説明する。
まず、ＪＲＣ−ＡＬＯ−６（日揮製）を粉砕し、空気流通のもと５００℃で１時間焼成処理を行い、担体となるアルミナを調製する。純水とアルミナをヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸・６水和物水溶液に入れ、水を蒸発させてアルミナに白金を担持させ、その後水素還元することで調製し、白金の担持量が０．１ｗｔ％のＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を得る。このように調整したＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物（重量比１）と純水（重量比１０〜３０）とヒドロキシエチルセルロース（重量比０．１）を混合してスラリーを得る。
【００６４】
図１１に示す工程図は、図７に示した形態の燃焼触媒５７を定着させる工程を示したものである。
図１１（ａ）に示すように、基板５０の燃焼路５４の壁面にアルミナゾルを塗布して、ゾルゲル法によりアルミナの担持体５７ａを成膜する。次に、この基板５０を図１２に示すような位置決め装置（例えば、ＸＹステージ）９１の上に固定する。基板５０の表面に対して直交する方向に往復移動可能なスポッタ９２を有する駆動治具を配置し、制御装置により駆動治具を制御する。図１１（ｂ）に示すように、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を含有したスラリーの液滴５８をスポッタ９２の先端に付着させ、図１１（ｃ）に示すように、スポッタ９２の先端を燃焼路５４の壁面に接触させてスラリーの液滴５８を担持体５７ａに付着させる。位置決め装置９１で基板５０を移動させながら、スポッタ９２の上下動を繰り返すことで、多数の液滴５８を担持体５７ａに付着させる（図１１（ｄ），（ｅ）参照）。この時には液滴５８の間隔をあけて、下地となる担持体５７ａの一部が露出するように液滴５８を分布させる。また、始点５３ａから距離ｘの位置における液滴５８のドット密度を式（６）のようにその位置における吸熱量（改質反応の反応率αx）によって決めるようにスラリーの液滴５８を分布させることが望ましい。多数の液滴５８を点着したら、基板５０を１００℃のホットプレート上に１時間載せて、液滴５８の水分の蒸発乾燥を行うと、液滴５８が触媒組成物５７ｂになる（図７参照）。このような方法によれば、液滴５８を離間した状態で点着しているので液滴５８が滲んでも凝集せず、触媒組成物５７ｂも離間した状態で点在させることができる。
【００６５】
図１３に示す工程図は、図８に示した形態の燃焼触媒５７を定着させる工程を示したものである。以下、図１３により、燃焼触媒５７を定着させる方法について説明する。
基板５０を位置決め装置９１の上に固定する。次に、位置決め装置９１で基板５０を移動させながら、スポッタ９２の先端にアルミナゾルを付着させ、スポッタ９２の上下動を繰り返すことで、アルミナゾルの多数の液滴５９を燃焼路５４の壁面に付着させる（図１３（ａ））。この時には液滴５９の間隔をあけて、下地となる基板５０の一部が露出するように液滴５９を分布させる。また、始点５３ａから距離ｘの位置における液滴５９のドット密度を式（６）のようにその位置における吸熱量（改質反応の反応率αx）によって決めるようにアルミナゾルの液滴５９を分布させることが望ましい。多数の液滴５９を点着したら、基板５０を１００℃のホットプレート上に１時間載せて、液滴５９の水分の蒸発乾燥を行うと、液滴５９が担持体５７ｃになる（図１３（ｂ））。次に、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を含有したスラリー６０を燃焼路５４の全体に塗布し、スラリー６０で担持体５７ｃを被覆する（図１３（ｃ））。そして、塗布したスラリー６０をブロワー等によって吹き飛ばすと、担持体５７ｃに定着したスラリー６０が残留し、他の部分は除去される（図１３（ｄ））。続いて、基板５０を１００℃のホットプレート上に１時間載せて、スラリー６０の水分の蒸発乾燥を行うと、スラリー６０が触媒組成物５７ｄになる。
図１３に示す方法によれば、触媒組成物５７ｄが凝集せずに離間した状態で点在するようにできる。更に、スラリー６０を液滴状でない状態で塗布しているので、スラリー６０の物性（粘性等）を特段調製する必要がなく、物性調製の為の添加剤による反応阻害発生の可能性をなくすことができる。
【００６６】
以下、図８に示した形態の燃焼触媒５７を定着させる別の方法について、図１４を用いて説明する。
この方法においては、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を含有したスラリーを用いるのではなく、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を粉末状にして用いる。まず、基板５０を位置決め装置９１の上に固定する。次に、位置決め装置９１で基板５０を移動させながら、スポッタ９２の先端にアルミナゾルを付着させ、スポッタ９２の上下動を繰り返すことで、アルミナゾルの多数の液滴５９を燃焼路５４の壁面に付着させる（図１４（ａ））。この時には液滴５９の間隔をあけて、下地となる基板５０の一部が露出するように液滴５９を分布させることが望ましい。また、始点５３ａから距離ｘの位置における液滴５９のドット密度を式（６）のようにその位置における吸熱量（改質反応の反応率αx）によって決めるようにアルミナゾルの液滴５９を分布させることが望ましい。多数の液滴５９を点着したら、粉末状のＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１を燃焼路５４の全体に塗布し、触媒組成物６１で液滴５９を被覆する（図１４（ｂ））。そして、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１をブロワー等によって吹き飛ばすと、液滴５９に付着したＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１が残留し、他の部分は除去される（図１４（ｃ））。吹き飛ばした触媒組成物６１は回収して再利用することができる。続いて、基板５０を１００℃のホットプレート上に１時間載せて、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１に混じった水分や液滴５９の水分の蒸発乾燥を行うと、液滴５９が担持体５７ｃになり、液滴５９に付着したＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１が触媒組成物５７ｄになる。
図１４に示す方法によれば、触媒組成物５７ｄが凝集せずに離間した状態で点在させることができる。更に、粉末状の触媒組成物６１を塗布しているので、触媒組成物６１に何らかを添加する必要はなく、反応阻害発生の可能性がなく、更に、触媒組成物６１の回収も可能のため、低コストである。
【００６７】
以上の説明においては、スポッタ９２により点着することによってドット状の液滴５８や液滴５９を分布させたが、液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）から液滴５８や液滴５９を多数回吐出することによってドット状の液滴５８や液滴５９を分布させても良い。
【００６８】
触媒の定着後、基板３０と基板４０を重ねて、基板４０の金属膜を陽極とするとともに基板３０側を陰極として電圧を印加し、基板３０と基板４０の陽極接合を行う。続いて、ヒータ７０，７１の両端部の薄膜ヒータパッドにリード線１３を抵抗溶接する。続いて、基板４０と基板５０を重ねて、基板４０の金属膜を陽極とするとともに基板５０側を陰極として電圧を印加し、基板４０と基板５０の陽極接合を行う。なお、陽極接合の際には、接触端子を切欠き３０ａ，５０ａの部分から金属膜に接し、金属膜に電圧を印加する。
【００６９】
続いて、開口６３〜６８に管１４を差し込み、開口６３〜６８の隙間を低融点ガラス封着剤で気密封止する。基板３０，４０，５０の接合体及び図示しないゲッターポンプをガラス容器２１，２２の中に収容し、ガラス容器２１，２２の溝に管１４やリード線１３を嵌め込み、ガラス容器２１，２２を合わせて、低融点ガラスによりガラス容器２１，２２を接着する。これにより断熱パッケージ１２を組み立てる。管１４やリード線１３と断熱パッケージ１２との隙間を低融点ガラスにより封止する。また、断熱パッケージ１２には、真空引き管を取り付けるための図示しない穴が形成されており、その穴に真空引き管を挿入し、真空引き管も低融点ガラスを用いて断熱パッケージ１２に封止する。最後に、真空引き管に真空ポンプを取り付け、真空ポンプで断熱パッケージ１２の空気を排気して真空状態にしながら、真空引き管の封止を行う。
【００７０】
次に、マイクロ反応装置１の動作について説明する。
起動時にはヒータ７０，７１が電圧により発熱した状態で、定常運転時には発電セル９０３の燃料極から発電に使われずに残った水素等が開口６３に供給される。また、外部の空気が開口６４に供給され、燃料導入路５３において水素と空気が混合する。水素と空気等の混合気が燃焼路５４に流れ込み、その混合気が燃焼路５４を流れている時に、水素が燃焼して、燃焼熱が発生する。その燃焼熱は改質器２に吸熱される。燃焼により生成された水等は排出路５５を通って開口６８から外部に排出される。一方、燃料と水の混合気が気化器９０２から開口６７に供給され、燃料と水が改質路３４，４４を流れている時に改質反応が起きる。改質反応は吸熱反応であり、燃焼器４における燃焼熱が用いられる。また、外部の空気が開口６５に供給され、生成された水素や一酸化炭素等と混合し、その混合気が一酸化炭素除去路３６，４６を流れる。一酸化炭素除去路３６，４６においては、一酸化炭素が酸化されて除去される。生成された水素等は開口６７から発電セル９０３の燃料極に供給される。
【００７１】
本実施形態によれば、触媒組成物５７ｂ，５７ｄが間隔をあけて点着されているので、触媒組成物５７ｂ，５７ｄが凝集することなく、水素が局所的に燃焼せず、局所的に高温になることがない。そのため、高温による燃焼器４等の熱破壊を抑えることができる。
【００７２】
上記実施形態では、吸熱を起こす処理器として改質器２を例として挙げたが、他の吸熱反応を起こす反応器を改質器２の代わりに設けても良い。更に、液体を気化させることにより吸熱を起こす気化器を改質器２の代わりに設けても良い。
【実施例１】
【００７３】
図１１に示した方法で、間隔をあけて触媒をガラス基板の燃焼路壁面に定着させ、１．３Ｗの発熱に必要な水素量を空気と混合して、燃焼器４の燃焼路５４に供給した。ヒータ７０，７１による発熱と、燃焼路５４における燃焼熱とを併用し、改質器２を３００℃、ＣＯ除去器３を１００℃に制御し、１時間の運転を行った。この結果、マイクロ反応装置１を分解すると、燃焼によるマイクロ反応装置１の破壊を確認することができなかった。また、酸化剤（空気中の酸素）の供給量に対する燃焼エネルギーの結果を図１５に示す。図１５において、縦軸が燃焼効率又は燃焼エネルギーを表し、「燃焼効率＝（改質器２に寄与した燃焼エネルギー）÷（反応に寄与する水素のエネルギー）」の関係を持つ。また、横軸は、「２×（酸素のモル流量）÷（供給した水素のモル流量）」で表したものである。図１５から明からなように、空気に含まれる酸素量を水素量の量論以上に供給した場合に、約１．０５Ｗの燃焼エネルギーを安定的に確保することができた。またこの時、燃焼後排気される気体をマイクロガスクロマグラフィーＣＰ２００２（バリアン製、カラムMolsieve5A、キャリアガスＡｒ）で測定したところ、水素は検出されず、水素が全て燃焼したことを確認することができた。
【００７４】
また、ディップコート法で上記とほぼ同じ量だけ燃焼触媒を定着したものを燃焼触媒５７の代わりに用いたマイクロ反応装置について、１．３Ｗの発熱に必要な水素量を空気と混合して、燃焼器４の燃焼路５４に供給した。ヒータ７０，７１による発熱と、燃焼路５４における燃焼熱とを併用し、改質器２を３００℃、ＣＯ除去器３を１００℃に制御し、１時間の運転を行った（比較例）。運転中又は運転終了後の降温中に燃焼器４の破壊と思われる真空断熱の断熱効果がなくなり、マイクロ反応装置を分解すると、ガラス基板の燃焼路５４のクラックが発生していることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明を適用したマイクロ反応装置を具備した発電装置及びそれを備えた電子機器のブロック図である。
【図２】マイクロ反応装置の断面図である。
【図３】図２の切断線III−IIIに沿った面の矢視断面図である。
【図４】図２の切断線IV−IVに沿った面の矢視断面図である。
【図５】図２の切断線V−Vに沿った面の矢視断面図である。
【図６】マイクロ反応装置に形成された燃焼路の平面図である。
【図７】図６の切断線VII−VIIに沿った面の矢視断面図である。
【図８】図７とは別の形態における断面図である。
【図９】距離ｘでの吸熱量を示すとともに、距離ｘと必要燃焼熱量との関係を示したグラフである。
【図１０】図９に対応するドット密度分布を模式的に示す図である。
【図１１】図７に示した形態の燃焼触媒の定着方法を示した工程図である。
【図１２】燃焼触媒の定着方法に用いる装置を示した図面である。
【図１３】図８に示した形態の燃焼触媒の定着方法を示した工程図である。
【図１４】図８に示した形態の別の燃焼触媒の定着方法を示した工程図である。
【図１５】酸化剤の供給量に対する燃焼エネルギー及び燃焼効率の結果を示したグラフである。
【図１６】（ａ）は従来の燃焼器の部分断面図であり、（ｂ）はその燃焼器における燃焼路の平面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ マイクロ反応装置（反応装置）
２ 改質器（処理器）
５４ 燃焼路
５７ 燃焼触媒
５７ａ、５７ｃ 担持体
５７ｂ、５７ｄ 触媒組成物
９００ 発電装置
１０００ 電子機器本体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸熱を起こす処理器と前記処理器に重ねられた燃焼器を有する反応装置、その反応装置を備えた発電装置及びその発電装置を備えた電子機器に関するとともに、その燃焼器に触媒を定着させる触媒定着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料の電気化学反応により電力を取り出すものであり、燃料電池の研究・開発が広く行われている。燃料電池に用いる燃料は水素ガスであり、メタノール等の原燃料を改質器で改質することでその水素ガスを生成している。また、エネルギーの利用効率を高めるために、燃料電池から排出される未反応の水素ガスを燃焼器で燃焼させ、その燃焼熱によって改質器を加熱することが行われている。
【０００３】
図１６に従来の燃焼器の構成を模式的に示す。図１６（ａ）は従来の燃焼器の部分断面図であり、図１６（ｂ）はその燃焼器における燃焼路の平面図である。
図１６（ａ）に示すように、燃焼器５００の内部には燃焼路５０１が形成されており、その燃焼路５０１に白金等の触媒５０２が定着されている。その燃焼路５０１に水素や酸素等が流れると、水素が燃焼して燃焼熱が発し、その反応速度は非常に速い。燃焼路５０１に触媒５０２を定着するには、スラリーを筆等の塗布部材によって燃焼路５０１に塗り付ける方法又はディップコート法若しくはスピンコート法が一般的に用いられている。
【０００４】
また、燃料電池にも触媒が用いられており、その触媒を塗布する方法としてインクジェット法を用いたものがある（特許文献１）。特許文献１に記載された方法を燃焼器の触媒の塗布方法に応用すれば、燃焼路５０１に触媒５０２を定着することができる。
【特許文献１】特開２００５−２６７９１６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、ディップコート法等を用いると、燃焼路５０１の側壁面における段差によって、図１６（ｂ）に示すように触媒５０２の周囲部５０３が厚くなってしまい、その部分で局所的に水素が燃焼してしまう。その結果、局所的に高温になってしまう部分が存在する。また、インクジェット法を用いた方法でも、着弾した触媒の液滴と液滴との間に更に触媒の液滴を吐出するので、液滴の滲み等によって厚さが均一にならず、局所的に高温になってしまう現象が起こる。そのため、燃焼路が熱破壊してしまう場合もある。
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、水素等の燃焼燃料が局所的に燃焼することを抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、反応装置において、吸熱を起こす処理器と、前記処理器に重ねられ、燃焼燃料と酸化剤が流れる燃焼路を形成した燃焼器と、を備え、活性成分としての触媒組成物が間隔をあけて前記燃焼路の壁面に定着されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物の単位面積当たりの量がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記触媒組成物がドット状となって前記燃焼路の壁面に点在し、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の反応装置において、前記燃焼路の壁面に担持体が膜状に成膜され、前記触媒組成物が前記担持体に担持されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載の反応装置において、前記燃焼路の壁面に担持体がドット状に点着され、前記触媒組成物が前記担持体に担持されることで前記触媒組成物がドット状に点在し、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明は、発電装置において、請求項１〜５の何れか一項に記載の反応装置と、前記反応装置により生成された燃料により発電を行う発電セルとを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項７に係る発明は、電子機器において、請求項６に記載の発電装置と、前記発電装置によって発電された電気により動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に係る発明は、触媒定着方法において、吸熱を起こす処理器に、燃焼燃料と酸化剤が流れる燃焼路を形成した燃焼器を重ねてなる反応装置において、活性成分としての触媒組成物を、間隔をあけて前記燃焼路の壁面に定着させることを特徴とする。
【００１４】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物の単位面積当たりの量をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする。
【００１５】
請求項１０に係る発明は、請求項８に記載の触媒定着方法において、前記触媒組成物をドット状に前記燃焼路の壁面に点在させ、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする。
【００１６】
請求項１１に係る発明は、請求項８から１０の何れか一項に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の壁面に担持体を膜状に成膜した後に、前記触媒組成物を前記担持体に担持させることを特徴とする。
【００１７】
請求項１２に係る発明は、請求項８に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の壁面に担持体をドット状に点着させ、前記担持体を被覆するように触媒組成物を塗布した後に、前記担持体に担持された触媒組成物を除いて前記触媒組成物を除去することによって前記触媒組成物をドット状に点在させることを特徴とする。
【００１８】
請求項１３に係る発明は、請求項１２に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の壁面にゾル状の担持体をドット状に点着させ、前記担持体の乾燥後に触媒組成物を含有したスラリーを塗布して前記担持体を被覆することを特徴とする。
【００１９】
請求項１４に係る発明は、請求項１２に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の壁面にゾル状の担持体をドット状に点着させ、前記担持体の乾燥前に粉末状の触媒組成物を塗布して前記担持体を被覆することを特徴とする。
【００２０】
請求項１５に係る発明は、請求項１２から１４の何れか一項に記載の触媒定着方法において、前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、触媒組成物が間隔をあけて燃焼路の壁面に定着されているので、触媒組成物が凝集することなく、燃焼燃料が局所的に燃焼せず、局所的に高温になることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００２３】
図１は、本発明が適用される発電装置９００を電子機器本体１０００とともに示したブロック図である。この発電装置９００は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体１０００を動作させるための電源として用いられる。
【００２４】
発電装置９００は、燃料カートリッジ９０１と、気化器９０２と、マイクロ反応装置（反応装置）１と、燃料電池型の発電セル９０３と、発電セル９０３により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ９０４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０４に接続される二次電池９０５と、それらを制御する制御部９０６と、を備える。燃料カートリッジ９０１には、メタノール、エタノール、ブタン、ジメチルエーテル等の燃料と水が別々に又は混合した状態で貯留されている。燃料カートリッジ９０１内の燃料と水は、図示しないマイクロポンプにより気化器９０２に供給され、燃料と水が気化器９０２にて気化される。
【００２５】
マイクロ反応装置１は、吸熱反応を発生させる改質器２と、発熱反応を発生させるＣＯ除去器３と、発熱反応を発生させる燃焼器４とを有する。
【００２６】
気化器９０２で気化した燃料と水はマイクロ反応装置１の改質器２に流れ込む。改質器２においては燃料と水が改質触媒により改質反応を起こし、水素ガスが生成されるとともに僅かながら一酸化炭素ガスも生成される（燃料がメタノールの場合には、下記化学式（１）、（２）を参照。）。改質器２で生成された水素ガス等はＣＯ除去器３に送られ、更に外部の空気（酸化剤）（空気には、酸化剤である酸素が含まれている。）がＣＯ除去器３に送られる。ＣＯ除去器３においては、一酸化炭素ガスが選択酸化触媒により優先的に酸化する選択酸化反応が起こり、一酸化炭素ガスが除去される（下記化学式（３）を参照）。ＣＯ除去器３を経た水素ガス等は発電セル９０３の燃料極に供給され、発電セル９０３の酸素極には空気が供給される。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2・・・（１）
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ・・・（２）
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2・・・（３）
【００２７】
発電セル９０３は、燃料極と、酸素極と、燃料極と酸素極の間に挟持された電解質膜とを備える。燃料極に送られたガス中の水素と、酸素極に送られた空気中の酸素が、電解質膜を介して電気化学反応をすることにより、発電セル９０３において電力が生じる。なお、電解質膜が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、燃料極では次式（４）のような反応が起き、燃料極で生成された水素イオンが電解質膜を透過し、酸素極では次式（５）のような反応が起こる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（４）
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ …（５）
【００２８】
ここで、発電セル９０３の燃料極に供給された水素ガスは全てが反応しない方が高効率であり、残留した水素ガスは燃焼器４に供給される。水素ガスの他に空気（空気には、酸化剤である酸素が含まれている。）も燃焼器４に供給される。燃焼器４に供給された水素ガスは燃焼燃料であり、燃焼器４内において水素ガスが燃焼触媒により酸化し、燃焼熱が発生する。燃焼器４で発生した熱とＣＯ除去器３で所定の温度で一酸化炭素除去反応を維持する熱の差分が改質器２における反応に用いられ、これにより改質器２やＣＯ除去器３が所定の温度で動作する。例えば、改質器２が３００℃で動作し、ＣＯ除去器３が１００℃で動作する。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９０４は、発電セル９０３により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器本体１０００に供給する機能を有する。更に、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０４は、発電セル９０３により生成された電気エネルギーを二次電池９０５に充電し、発電セル９０３やマイクロ反応装置１等が動作していない時に、二次電池９０５に蓄電された電気エネルギーを電子機器本体１０００に供給する機能も果たせるようになっている。制御部９０６は気化器９０２、マイクロ反応装置１、発電セル９０３を運転するために必要な図示しないポンプやバルブ類、ヒータ類のほか、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０４等を制御し、電子機器本体１０００に安定して電気エネルギーを供給するような制御を行う。
なお、図１では、燃料としてメタノールを使用する場合について、反応物や生成物を示している。
【００３０】
図２は、マイクロ反応装置１の断面図である。
図２に示すように、このマイクロ反応装置１の反応装置本体１１が断熱パッケージ１２内に収容されている。複数の管１４が断熱パッケージ１２を貫通して反応装置本体１１に連結している。また、複数のリード線１３が断熱パッケージ１２を貫通して反応装置本体１１まで配索されている。管１４及びリード線１３が断熱パッケージ１２を貫通した箇所は、低融点ガラス封着剤によって気密封止されている。管１４はガラスで形成されており、管１４と断熱パッケージ１２が同じ材料で形成されている。
【００３１】
断熱パッケージ１２は、有底箱形の２つのガラス容器２１，２２の開口を向かい合わせてこれらガラス容器２１，２２を低融点ガラス封着剤で接合したものである。そのため、断熱パッケージ１２は、密閉中空を内側に有した箱体である。断熱パッケージ１２の密閉空間は、真空引きされて真空状態となっている。断熱パッケージ１２の内壁面には、図示しない赤外線反射膜が成膜されている。赤外線反射膜は、スパッタによるＣｒの膜を下地とし、スパッタによるＡｕの膜をそのＣｒの膜の上に積層したものである。断熱パッケージ１２内には図示しないゲッターポンプが設けられ、ゲッターポンプのゲッター材を高周波誘導加熱等により活性させることで、高温運転時に壁面から発生する吸着ガス等がゲッター材に吸着し、断熱パッケージ１２内の真空度が保たれている。なお、断熱パッケージ１２は、ガラス製でなくとも良く、例えば金属製又はセラミック製であっても良い。赤外線反射膜は、断熱パッケージ１２よりも赤外線の反射率が高ければＣｒとＡｕの積層でなくても良く、Ａｇ、Ａｌといった他の金属膜であっても良い。
【００３２】
反応装置本体１１は、３枚の基板３０，４０，５０を積層してこれらを接合したものである。基板３０，４０，５０は、アルカリ金属（Ｎａ、Ｌｉ等）を含有したガラス基板である。例えば、基板３０，４０，５０は、パイレックス（登録商標）ガラスからなる基板である。基板３０と基板４０との間には図示しない金属膜が介在し、その金属膜により基板３０と基板４０が陽極接合されている。同様に、基板４０と基板５０との間には図示しない金属膜が介在し、その金属膜により基板４０と基板５０が陽極接合されている。
【００３３】
図３は、図２の切断線III−IIIに沿った面の矢視断面図である。図３に示すように、基板３０の１つの角部には切欠き３０ａが形成されている。基板３０には、矩形状の貫通孔３１が形成されている。基板３０の下面、つまり、基板４０との接合面には、溝３２が凹設されている。溝３２は、基板３０の右縁から貫通孔３１の左側へ至る燃料導入路３３と、燃料導入路３３の端部３３ａに通じるとともに貫通孔３１の左側において葛折り状になった改質路３４と、改質路３４の端部３４ａから基板３０の右縁に至る、一酸化炭素除去反応の酸化剤である空気が導入されるＣＯ除去用空気導入路３５と、ＣＯ除去用空気導入路３５の空気と改質器３４で改質した改質ガスとの混合部３５ａから分岐して基板３０の右縁に至る葛折り状の一酸化炭素除去路３６とからなる。
【００３４】
図２に示すように、改質路３４の壁面には、改質触媒３７が定着されている。改質触媒３７は、触媒組成物（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒組成物）を溶媒に分散させた触媒分散液を改質路３４の壁面にコーティングすることで担持されたものであったり、ゾルゲル法等により改質路３４の壁面に成膜された酸化物（例えば、アルミナ）に対して触媒分散液をコーティングして担持されたものであったりする。
【００３５】
一酸化炭素除去路３６の壁面には、選択酸化触媒３８が定着されている。選択酸化触媒３８は、触媒組成物（例えば、白金系触媒組成物）を溶媒に分散させた触媒分散液を一酸化炭素除去路３６の壁面にコーティングすることで担持されたものであったり、ゾルゲル法等により一酸化炭素除去路３６の壁面に成膜された酸化物（例えば、アルミナ）に対して触媒分散液をコーティングして担持されたものであったりする。
【００３６】
図４は、図２の切断線IV−IVに沿った面の矢視断面図である。図４に示すように、基板４０には、貫通孔３１に相対する矩形状の貫通孔４１が形成されている。基板４０の上面、つまり、基板３０との接合面には、溝４２が凹設されている。溝４２は、燃料導入路３３に相対する燃料導入路４３と、改質路３４に相対する改質路４４と、ＣＯ除去用空気導入路３５に相対するＣＯ除去用空気導入路４５と、一酸化炭素除去路３６に相対する一酸化炭素除去路４６とからなる。図２に示すように、改質路４４の壁面には、改質触媒４７が定着され、一酸化炭素除去路３６の壁面には、選択酸化触媒４８が定着されている。
【００３７】
基板３０と基板４０が接合されることで、燃料導入路３３が燃料導入路４３に、改質路３４が改質路４４に、ＣＯ除去用空気導入路３５がＣＯ除去用空気導入路４５に、一酸化炭素除去路３６が一酸化炭素除去路４６に重なる。反応装置本体１１のうち改質路３４，４４が形成された部分が、図１に示した改質器２となる。反応装置本体１１のうち一酸化炭素除去路３６，４６が形成された領域が、図１に示したＣＯ除去器３となる。
【００３８】
図２に示すように、基板４０の下面には、電熱線によるヒータ７０，７１がパターニングされている。ヒータ７０は、上又は下から投影視して改質路３４，４４の内側に収まるようにパターニングされていて、ヒータ７１は、上又は下から投影視して一酸化炭素除去路３６，４６の内側に収まるようにパターニングされている。ヒータ７０，７１の電気的特性（例えば、電気抵抗）がその温度に依存し、ヒータ７０，７１の電流や電圧を測定することによりヒータ７０，７１の温度が求まるので、ヒータ７０，７１が温度センサとしても機能する。ヒータ７０，７１は、基板４０と基板５０との接合界面に形成された陽極接合用金属膜から電気的に絶縁されている。ヒータ７０，７１はリード線１３に接続されている。
【００３９】
図５は、図２の切断線V−Vに沿った面の矢視断面図である。図５に示すように、基板５０の１つの角部には切欠き５０ａが形成されている。基板５０には、貫通孔４１に相対する矩形状の貫通孔５１が形成されている。更に、貫通孔５１の右側において、基板５０の上面に凹部５６が形成されている。基板５０の上面、つまり、基板４０との接合面には、溝５２が凹設されている。溝５２は、基板５０の右縁から貫通孔３１の左側へ至る燃料導入路５３と、基板５０の右縁から燃料導入路５３に合流する、燃焼反応の酸化剤となる空気の導入路である空気導入路５３ｂと、燃料導入路５３の端部５３ａに通じるとともに貫通孔５１の左側において葛折り状になった燃焼路５４と、燃焼路５４の端部５４ａから基板５０の右縁に至る排出路５５とからなる。
【００４０】
基板５０の上面が基板４０の下面に接合されることによって、溝５２が基板４０により塞がれている。図２に示すように、ヒータ７０は溝５２の燃焼路５４に収容され、ヒータ７１は凹部５６に収容されている。上から又は下から反応装置本体１１を投影視すると、燃焼路５４が改質路３４，４４に重なる。燃焼路５４の壁面には、燃焼触媒５７が定着されている。燃焼触媒５７については、後に詳述する。反応装置本体１１のうち燃焼路５４が形成された部分が、図１に示した燃焼器４となる。このような反応装置本体１１においては、改質器２が燃焼器４に重ねられている。
【００４１】
これら基板３０，４０，５０の接合体の右側面には、開口６３〜６８が形成され、開口６３〜６８のそれぞれに管１４が嵌め込まれ、その嵌め込み部分において管１４の周りが低融点ガラス封着剤で気密封止されている。開口６３が燃料導入路５３への燃焼燃料ガスの入口となり、開口６４が空気導入路５３ｂへの空気の入口となり、開口６５がＣＯ除去用空気導入路３５への空気の入口となり、開口６６が一酸化炭素除去路３６からの発電に使われる改質ガスの出口となり、開口６７が燃料導入路３３への燃料ガスの入口となり、開口６８が排出路５５からの排ガスの出口となる。図１において気化器９０２から送られてきた燃料と水の混合気（燃料ガス）は開口６７に流れ込み、発電に使われずに残った水素等の混合気（燃焼燃料ガス）であって発電セル９０３の陽極から送られてきた混合気は開口６３に流れ込む。また、外部から送られてきた空気は開口６４や開口６５に流れ込む。燃焼器４の排ガス（水等）は、開口６８から外部へ排出される。ＣＯ除去器３を経て得られた混合気（水素等）は、開口６６から発電セル９０３の燃料極へ発電に使われる改質ガスとして送られる。
【００４２】
燃焼触媒５７について説明する。燃焼触媒５７は、活性成分としての貴金属（例えば、白金）を含む触媒組成物が担持体（例えば、アルミナ）に担持されてなるものである。具体的には、燃焼触媒５７が図６、図７に示すように設けられている。図６は、燃焼路５４の一部の平面図であり、図６は、燃焼路５４の幅方向に沿った面の断面図である。なお、図６では等間隔に燃焼触媒５７が配置されているように示しているが、後述のようにドット密度を流路位置で変化するように配置してもよい。
【００４３】
図６、図７に示すように、基材となる基板５０の燃焼路５４の壁面が、膜状の担持体５７ａによって被覆されている。担持体５７ａは、アルミナからなる。担持体５７ａは、ゾルゲル法により成膜されたものであり、具体的にはアルミナゾルを燃焼路５４の壁面に塗布して乾燥によりゲル状にしたものである。
【００４４】
膜状の担持体５７ａに、ドット状の触媒組成物５７ｂが担持されている。平面視して、触媒組成物５７ｂが間隔をあけて担持体５７ａの上に点在し、下地となる担持体５７ａの一部が触媒組成物５７ｂの間で露出している。触媒組成物５７ｂは、白金等の貴金属のほかに、アルミナ等の担体を含むものである。触媒組成物５７ｂは、触媒含有スラリーを液滴状に多数回吐出する液滴吐出法（インクジェット法）によってドット状に担持されたものでもよいし、触媒含有スラリーをスポッタで多数回点着する方法によってドット状に担持されたものでもよい。なお、触媒組成物５７ｂがドット状に設けられているが、網目状にパターニングされ、下地となる担持体５７ａの一部が露出しても良い。
【００４５】
担持体５７ａが燃焼路５４の底一面に成膜されているが、担持体５７ａが膜状でなく所定の形状にパターニングされてもよい。例えば、図８に示すように、下地となる基板５０の一部が担持体５７ｃの間で露出するようパターニングされてもよい。図８に示すように、平面視して、ドット状の担持体５７ｃが間隔をあけて燃焼路５４の底に点在し、下地となる燃焼路５４の底の一部が担持体５７ｃの間で露出している。それぞれの担持体５７ｃに触媒組成物５７ｄが担持され、平面視してドット状の触媒組成物５７ｄが間隔をあけて点在し、燃焼路５４の底の一部が触媒組成物５７ｄの間で露出している。触媒組成物５７ｂと触媒組成物５７ｄは同じ成分であり、担持体５７ａと担持体５７ｃは同じ成分である。なお、担持体５７ｃがドット状に設けられているが、網目状にパターニングされ、更にその網目状の担持体に触媒組成物が担持されて、触媒組成物が網目状に設けられ、下地となる燃焼路５４の底の一部が露出しても良い。
【００４６】
ここで、後述のように、燃焼路５４の始点５３ａから燃焼路５４に沿った距離ｘの位置と、その位置における触媒組成物５７ｂ又は触媒組成物５７ｄのドット密度ｉとの関係が、式（６）で表されるようにすることが望ましい。
【００４７】
【数１】
【００４８】
式（６）において、ドット密度ｉは、燃焼路５４の始点５３ａから燃焼路５４に沿った距離ｘの関数である。式（６）は、始点５３ａから距離ｘの位置には、ドット密度ｉの触媒組成物５７ｂや触媒組成物５７ｄが担持されている（分布している）ことを表している。
【００４９】
ここで、式（６）において、Ｗ、Ｘ、αx、Ｒ1、Ｙ、Ｒ2、ＤW、ｈ、κ0、Ｒ、Ｔ、Ｅa、ＣO2、ｕ、Ｃ0(H2)は以下のことを表す。
Ｗ：非反応時所定温度維持に必要な熱量であって、
マイクロ反応装置１の構成・構造で決まる値
Ｘ：改質反応で投入される反応物のモル量であって、仕様値
αx：距離ｘの位置の微小領域における改質反応の反応率であって、
反応条件、構成で決まる仕様値
Ｒ1：改質反応の単位モルあたりの吸熱量であって、量論式から導かれる値
Ｙ：触媒燃焼反応での反応物のモル量であって、仕様値
Ｒ2:触媒燃焼反応の単位モルあたりの発熱量であって、量論式から導かれる値
ＤW:１ドットあたりの重量
ｈ：燃焼路５４の深さ
κ0：頻度因子
Ｒ：気体定数
Ｔ：温度
Ｅa：活性化エネルギー
ＣO2：酸素濃度
ｕ：平均流速
Ｃ0(H2)：初期水素濃度
【００５０】
式（６）について、以下に説明する。なお、ここでは単純化のために、ＣＯ除去器３での所定の温度で一酸化炭素除去反応を維持する為の熱収支の影響を考えない。
距離ｘの位置において、改質器２を所定の反応温度で運転するのに必要な熱量は、改質器２を反応温度に維持することと、改質反応による吸熱量の和であるから、式（７）で表される。これをグラフに表すと、例えば、図９の曲線Ａのように表される。
【００５１】
【数２】
【００５２】
一方、距離ｘの位置において、燃焼触媒５７の触媒燃焼により発生する熱量は、式（８）で表される。式（８）において、βxは、距離ｘの位置の微小領域における触媒燃焼反応の反応率であって、反応条件や構成で決まる仕様値である。
【数３】
【００５３】
距離ｘの位置において式（７）と式（８）が等しければ、吸熱と発熱の均衡をとることができ、触媒燃焼により改質器２を所定の反応温度で運転することができる。
【００５４】
ここで、微小領域空間での反応速度をγzとし、微小領域でのドット密度をｉとすると、次式（９）の反応速度式が成り立つ。式（９）において、ＲＴやＣＯ2の次数は反応次数と呼ばれ、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3を用いた水素燃焼反応で決まっている値であって実験値である。
【数４】
【００５５】
また、物質収支から式（１０）が成立する。
【数５】
【００５６】
式（９）と式（１０）から式（１１）、つまり、ドット密度ｉは（１２）のようになる。
【数６】
【数７】
式（１２）から、式（８）の熱量が式（７）の熱量に等しくなるようにする条件より、ドット密度ｉは式（６）のように求まる。
【００５７】
図９に対応するドット密度分布を模式的に示すと、図１０のようになる。
図１０に示すように、燃焼路５４の上流側から下流側に向けてドット密度が密から疎に連続的に変化するような分布となる。したがって、燃焼路５４の上流部（燃焼路５４の始点５３ａ近傍）に位置し且つ互いに隣接している触媒組成物５７ｂ（又は触媒組成物５７ｄ。以下、図１０において同じ。）間の距離Ｐ１は、中流部に位置し且つ互いに隣接している触媒組成物５７ｂ間の距離Ｐ２より短く、中流部の触媒組成物５７ｂ間の距離Ｐ２は下流部（燃焼路５４の終点端部５４ａ近傍）に位置し且つ互いに隣接している触媒組成物５７ｂ間の距離Ｐ３より短い。
【００５８】
以上のように、燃焼路５４の中の或る位置において、単位面積当たりの触媒組成物５７ｂや触媒組成物５７ｄの量はその位置における改質器２への吸熱量に対応させる。具体的に単位面積当たりの量としてドット密度を用いると、燃焼路５４の中の或る位置において単位面積当たりの触媒組成物５７ｂや触媒組成物５７ｄのドット密度を、式（６）に基づくようにその位置における改質器２への吸熱量（改質反応の反応率αx）に対応して配置することが望ましい。
【００５９】
次に、マイクロ反応装置１の製造方法について説明する。
まず、基板４０の両面に陽極接合用の金属膜をスパッタ法により成膜し、基板４０の下面にヒータ７０，７１をフォトリソグラフィ法、エッチング法等により形状加工し、ヒータ７０，７１と金属膜を絶縁させる。次に、フォトリソグラフィ法、サンドブラスト法により基板３０に貫通孔３１及び溝３２を加工する。貫通孔３１については両面からサンドブラスト加工を行うことで形成する。基板４０，５０についても基板３０と同様に貫通孔４１，５１及び溝４２，５２を形成する。そして、基板３０，４０，５０をダイシング加工により切り出す。
【００６０】
次に、基板３０にドライフィルムフォトレジストを貼り付け、フォトリソグラフィ法にて溝３２と同じ形状の加工をドライフィルムフォトレジストに加工する。次に、改質路３４の壁面に改質触媒３７を定着させ、一酸化炭素除去路３６の壁面に選択酸化触媒３８を定着させる。具体的には、触媒組成物（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒組成物）を溶媒に分散させた触媒分散液を改質路３４の壁面にコーティングする。別の方法として、ゾルゲル法等により改質路３４の壁面に酸化物（例えば、アルミナ）の密着性向上層を形成し、触媒分散液をその密着性向上層にコーティングする。選択酸化触媒３８の定着方法として、触媒組成物（例えば、白金系触媒組成物）を溶媒に分散させた触媒分散液を一酸化炭素除去路３６の壁面にコーティングする。別の方法として、ゾルゲル法等により一酸化炭素除去路３６の壁面に酸化物（例えば、アルミナ）の密着性向上層を形成し、その密着性向上層に触媒分散液をコーティングする。
【００６１】
基板４０についても基板３０と同様に、改質路４４の壁面に改質触媒４７を定着させ、一酸化炭素除去路４６の壁面に選択酸化触媒４８を定着させる。
【００６２】
触媒の定着後、基板３０，４０を１１０℃のホットプレート上で１時間乾燥させて水を蒸発させる。その後、基板３０，４０が室温に冷却されたら、ドライフィルムフォトレジストをピーリング法により剥離する。
【００６３】
基板５０の燃焼路５４の壁面に燃焼触媒５７を定着させる方法について説明する。
まず、ＪＲＣ−ＡＬＯ−６（日揮製）を粉砕し、空気流通のもと５００℃で１時間焼成処理を行い、担体となるアルミナを調製する。純水とアルミナをヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸・６水和物水溶液に入れ、水を蒸発させてアルミナに白金を担持させ、その後水素還元することで調製し、白金の担持量が０．１ｗｔ％のＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を得る。このように調整したＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物（重量比１）と純水（重量比１０〜３０）とヒドロキシエチルセルロース（重量比０．１）を混合してスラリーを得る。
【００６４】
図１１に示す工程図は、図７に示した形態の燃焼触媒５７を定着させる工程を示したものである。
図１１（ａ）に示すように、基板５０の燃焼路５４の壁面にアルミナゾルを塗布して、ゾルゲル法によりアルミナの担持体５７ａを成膜する。次に、この基板５０を図１２に示すような位置決め装置（例えば、ＸＹステージ）９１の上に固定する。基板５０の表面に対して直交する方向に往復移動可能なスポッタ９２を有する駆動治具を配置し、制御装置により駆動治具を制御する。図１１（ｂ）に示すように、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を含有したスラリーの液滴５８をスポッタ９２の先端に付着させ、図１１（ｃ）に示すように、スポッタ９２の先端を燃焼路５４の壁面に接触させてスラリーの液滴５８を担持体５７ａに付着させる。位置決め装置９１で基板５０を移動させながら、スポッタ９２の上下動を繰り返すことで、多数の液滴５８を担持体５７ａに付着させる（図１１（ｄ），（ｅ）参照）。この時には液滴５８の間隔をあけて、下地となる担持体５７ａの一部が露出するように液滴５８を分布させる。また、始点５３ａから距離ｘの位置における液滴５８のドット密度を式（６）のようにその位置における吸熱量（改質反応の反応率αx）によって決めるようにスラリーの液滴５８を分布させることが望ましい。多数の液滴５８を点着したら、基板５０を１００℃のホットプレート上に１時間載せて、液滴５８の水分の蒸発乾燥を行うと、液滴５８が触媒組成物５７ｂになる（図７参照）。このような方法によれば、液滴５８を離間した状態で点着しているので液滴５８が滲んでも凝集せず、触媒組成物５７ｂも離間した状態で点在させることができる。
【００６５】
図１３に示す工程図は、図８に示した形態の燃焼触媒５７を定着させる工程を示したものである。以下、図１３により、燃焼触媒５７を定着させる方法について説明する。
基板５０を位置決め装置９１の上に固定する。次に、位置決め装置９１で基板５０を移動させながら、スポッタ９２の先端にアルミナゾルを付着させ、スポッタ９２の上下動を繰り返すことで、アルミナゾルの多数の液滴５９を燃焼路５４の壁面に付着させる（図１３（ａ））。この時には液滴５９の間隔をあけて、下地となる基板５０の一部が露出するように液滴５９を分布させる。また、始点５３ａから距離ｘの位置における液滴５９のドット密度を式（６）のようにその位置における吸熱量（改質反応の反応率αx）によって決めるようにアルミナゾルの液滴５９を分布させることが望ましい。多数の液滴５９を点着したら、基板５０を１００℃のホットプレート上に１時間載せて、液滴５９の水分の蒸発乾燥を行うと、液滴５９が担持体５７ｃになる（図１３（ｂ））。次に、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を含有したスラリー６０を燃焼路５４の全体に塗布し、スラリー６０で担持体５７ｃを被覆する（図１３（ｃ））。そして、塗布したスラリー６０をブロワー等によって吹き飛ばすと、担持体５７ｃに定着したスラリー６０が残留し、他の部分は除去される（図１３（ｄ））。続いて、基板５０を１００℃のホットプレート上に１時間載せて、スラリー６０の水分の蒸発乾燥を行うと、スラリー６０が触媒組成物５７ｄになる。
図１３に示す方法によれば、触媒組成物５７ｄが凝集せずに離間した状態で点在するようにできる。更に、スラリー６０を液滴状でない状態で塗布しているので、スラリー６０の物性（粘性等）を特段調製する必要がなく、物性調製の為の添加剤による反応阻害発生の可能性をなくすことができる。
【００６６】
以下、図８に示した形態の燃焼触媒５７を定着させる別の方法について、図１４を用いて説明する。
この方法においては、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を含有したスラリーを用いるのではなく、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物を粉末状にして用いる。まず、基板５０を位置決め装置９１の上に固定する。次に、位置決め装置９１で基板５０を移動させながら、スポッタ９２の先端にアルミナゾルを付着させ、スポッタ９２の上下動を繰り返すことで、アルミナゾルの多数の液滴５９を燃焼路５４の壁面に付着させる（図１４（ａ））。この時には液滴５９の間隔をあけて、下地となる基板５０の一部が露出するように液滴５９を分布させることが望ましい。また、始点５３ａから距離ｘの位置における液滴５９のドット密度を式（６）のようにその位置における吸熱量（改質反応の反応率αx）によって決めるようにアルミナゾルの液滴５９を分布させることが望ましい。多数の液滴５９を点着したら、粉末状のＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１を燃焼路５４の全体に塗布し、触媒組成物６１で液滴５９を被覆する（図１４（ｂ））。そして、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１をブロワー等によって吹き飛ばすと、液滴５９に付着したＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１が残留し、他の部分は除去される（図１４（ｃ））。吹き飛ばした触媒組成物６１は回収して再利用することができる。続いて、基板５０を１００℃のホットプレート上に１時間載せて、Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１に混じった水分や液滴５９の水分の蒸発乾燥を行うと、液滴５９が担持体５７ｃになり、液滴５９に付着したＰｔ／Ａｌ2Ｏ3触媒組成物６１が触媒組成物５７ｄになる。
図１４に示す方法によれば、触媒組成物５７ｄが凝集せずに離間した状態で点在させることができる。更に、粉末状の触媒組成物６１を塗布しているので、触媒組成物６１に何らかを添加する必要はなく、反応阻害発生の可能性がなく、更に、触媒組成物６１の回収も可能のため、低コストである。
【００６７】
以上の説明においては、スポッタ９２により点着することによってドット状の液滴５８や液滴５９を分布させたが、液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）から液滴５８や液滴５９を多数回吐出することによってドット状の液滴５８や液滴５９を分布させても良い。
【００６８】
触媒の定着後、基板３０と基板４０を重ねて、基板４０の金属膜を陽極とするとともに基板３０側を陰極として電圧を印加し、基板３０と基板４０の陽極接合を行う。続いて、ヒータ７０，７１の両端部の薄膜ヒータパッドにリード線１３を抵抗溶接する。続いて、基板４０と基板５０を重ねて、基板４０の金属膜を陽極とするとともに基板５０側を陰極として電圧を印加し、基板４０と基板５０の陽極接合を行う。なお、陽極接合の際には、接触端子を切欠き３０ａ，５０ａの部分から金属膜に接し、金属膜に電圧を印加する。
【００６９】
続いて、開口６３〜６８に管１４を差し込み、開口６３〜６８の隙間を低融点ガラス封着剤で気密封止する。基板３０，４０，５０の接合体及び図示しないゲッターポンプをガラス容器２１，２２の中に収容し、ガラス容器２１，２２の溝に管１４やリード線１３を嵌め込み、ガラス容器２１，２２を合わせて、低融点ガラスによりガラス容器２１，２２を接着する。これにより断熱パッケージ１２を組み立てる。管１４やリード線１３と断熱パッケージ１２との隙間を低融点ガラスにより封止する。また、断熱パッケージ１２には、真空引き管を取り付けるための図示しない穴が形成されており、その穴に真空引き管を挿入し、真空引き管も低融点ガラスを用いて断熱パッケージ１２に封止する。最後に、真空引き管に真空ポンプを取り付け、真空ポンプで断熱パッケージ１２の空気を排気して真空状態にしながら、真空引き管の封止を行う。
【００７０】
次に、マイクロ反応装置１の動作について説明する。
起動時にはヒータ７０，７１が電圧により発熱した状態で、定常運転時には発電セル９０３の燃料極から発電に使われずに残った水素等が開口６３に供給される。また、外部の空気が開口６４に供給され、燃料導入路５３において水素と空気が混合する。水素と空気等の混合気が燃焼路５４に流れ込み、その混合気が燃焼路５４を流れている時に、水素が燃焼して、燃焼熱が発生する。その燃焼熱は改質器２に吸熱される。燃焼により生成された水等は排出路５５を通って開口６８から外部に排出される。一方、燃料と水の混合気が気化器９０２から開口６７に供給され、燃料と水が改質路３４，４４を流れている時に改質反応が起きる。改質反応は吸熱反応であり、燃焼器４における燃焼熱が用いられる。また、外部の空気が開口６５に供給され、生成された水素や一酸化炭素等と混合し、その混合気が一酸化炭素除去路３６，４６を流れる。一酸化炭素除去路３６，４６においては、一酸化炭素が酸化されて除去される。生成された水素等は開口６７から発電セル９０３の燃料極に供給される。
【００７１】
本実施形態によれば、触媒組成物５７ｂ，５７ｄが間隔をあけて点着されているので、触媒組成物５７ｂ，５７ｄが凝集することなく、水素が局所的に燃焼せず、局所的に高温になることがない。そのため、高温による燃焼器４等の熱破壊を抑えることができる。
【００７２】
上記実施形態では、吸熱を起こす処理器として改質器２を例として挙げたが、他の吸熱反応を起こす反応器を改質器２の代わりに設けても良い。更に、液体を気化させることにより吸熱を起こす気化器を改質器２の代わりに設けても良い。
【実施例１】
【００７３】
図１１に示した方法で、間隔をあけて触媒をガラス基板の燃焼路壁面に定着させ、１．３Ｗの発熱に必要な水素量を空気と混合して、燃焼器４の燃焼路５４に供給した。ヒータ７０，７１による発熱と、燃焼路５４における燃焼熱とを併用し、改質器２を３００℃、ＣＯ除去器３を１００℃に制御し、１時間の運転を行った。この結果、マイクロ反応装置１を分解すると、燃焼によるマイクロ反応装置１の破壊を確認することができなかった。また、酸化剤（空気中の酸素）の供給量に対する燃焼エネルギーの結果を図１５に示す。図１５において、縦軸が燃焼効率又は燃焼エネルギーを表し、「燃焼効率＝（改質器２に寄与した燃焼エネルギー）÷（反応に寄与する水素のエネルギー）」の関係を持つ。また、横軸は、「２×（酸素のモル流量）÷（供給した水素のモル流量）」で表したものである。図１５から明からなように、空気に含まれる酸素量を水素量の量論以上に供給した場合に、約１．０５Ｗの燃焼エネルギーを安定的に確保することができた。またこの時、燃焼後排気される気体をマイクロガスクロマグラフィーＣＰ２００２（バリアン製、カラムMolsieve5A、キャリアガスＡｒ）で測定したところ、水素は検出されず、水素が全て燃焼したことを確認することができた。
【００７４】
また、ディップコート法で上記とほぼ同じ量だけ燃焼触媒を定着したものを燃焼触媒５７の代わりに用いたマイクロ反応装置について、１．３Ｗの発熱に必要な水素量を空気と混合して、燃焼器４の燃焼路５４に供給した。ヒータ７０，７１による発熱と、燃焼路５４における燃焼熱とを併用し、改質器２を３００℃、ＣＯ除去器３を１００℃に制御し、１時間の運転を行った（比較例）。運転中又は運転終了後の降温中に燃焼器４の破壊と思われる真空断熱の断熱効果がなくなり、マイクロ反応装置を分解すると、ガラス基板の燃焼路５４のクラックが発生していることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明を適用したマイクロ反応装置を具備した発電装置及びそれを備えた電子機器のブロック図である。
【図２】マイクロ反応装置の断面図である。
【図３】図２の切断線III−IIIに沿った面の矢視断面図である。
【図４】図２の切断線IV−IVに沿った面の矢視断面図である。
【図５】図２の切断線V−Vに沿った面の矢視断面図である。
【図６】マイクロ反応装置に形成された燃焼路の平面図である。
【図７】図６の切断線VII−VIIに沿った面の矢視断面図である。
【図８】図７とは別の形態における断面図である。
【図９】距離ｘでの吸熱量を示すとともに、距離ｘと必要燃焼熱量との関係を示したグラフである。
【図１０】図９に対応するドット密度分布を模式的に示す図である。
【図１１】図７に示した形態の燃焼触媒の定着方法を示した工程図である。
【図１２】燃焼触媒の定着方法に用いる装置を示した図面である。
【図１３】図８に示した形態の燃焼触媒の定着方法を示した工程図である。
【図１４】図８に示した形態の別の燃焼触媒の定着方法を示した工程図である。
【図１５】酸化剤の供給量に対する燃焼エネルギー及び燃焼効率の結果を示したグラフである。
【図１６】（ａ）は従来の燃焼器の部分断面図であり、（ｂ）はその燃焼器における燃焼路の平面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ マイクロ反応装置（反応装置）
２ 改質器（処理器）
５４ 燃焼路
５７ 燃焼触媒
５７ａ、５７ｃ 担持体
５７ｂ、５７ｄ 触媒組成物
９００ 発電装置
１０００ 電子機器本体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱を起こす処理器と、
前記処理器に重ねられ、燃焼燃料と酸化剤が流れる燃焼路を形成した燃焼器と、を備え、
活性成分としての触媒組成物が間隔をあけて前記燃焼路の壁面に定着されていることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物の単位面積当たりの量がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記触媒組成物がドット状となって前記燃焼路の壁面に点在し、
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項４】
前記燃焼路の壁面に担持体が膜状に成膜され、前記触媒組成物が前記担持体に担持されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の反応装置。
【請求項５】
前記燃焼路の壁面に担持体がドット状に点着され、前記触媒組成物が前記担持体に担持されることで前記触媒組成物がドット状に点在し、
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の反応装置と、前記反応装置により生成された燃料により発電を行う発電セルとを備えることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の発電装置と、
前記発電装置によって発電された電気により動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項８】
吸熱を起こす処理器に、燃焼燃料と酸化剤が流れる燃焼路を形成した燃焼器を重ねてなる反応装置において、活性成分としての触媒組成物を、間隔をあけて前記燃焼路の壁面に定着させることを特徴とする触媒定着方法。
【請求項９】
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物の単位面積当たりの量をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする請求項８に触媒定着方法。
【請求項１０】
前記触媒組成物をドット状に前記燃焼路の壁面に点在させ、
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする請求項８に記載の触媒定着方法。
【請求項１１】
前記燃焼路の壁面に担持体を膜状に成膜した後に、前記触媒組成物を前記担持体に担持させることを特徴とする請求項８から１０の何れか一項に記載の触媒定着方法。
【請求項１２】
前記燃焼路の壁面に担持体をドット状に点着させ、前記担持体を被覆するように触媒組成物を塗布した後に、前記担持体に担持された触媒組成物を除いて前記触媒組成物を除去することによって前記触媒組成物をドット状に点在させることを特徴とする請求項８に記載の触媒定着方法。
【請求項１３】
前記燃焼路の壁面にゾル状の担持体をドット状に点着させ、前記担持体の乾燥後に触媒組成物を含有したスラリーを塗布して前記担持体を被覆することを特徴とする請求項１２に記載の触媒定着方法。
【請求項１４】
前記燃焼路の壁面にゾル状の担持体をドット状に点着させ、前記担持体の乾燥前に粉末状の触媒組成物を塗布して前記担持体を被覆することを特徴とする請求項１２に記載の触媒定着方法。
【請求項１５】
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする請求項１２から１４の何れか一項に記載の触媒定着方法。
【請求項１】
吸熱を起こす処理器と、
前記処理器に重ねられ、燃焼燃料と酸化剤が流れる燃焼路を形成した燃焼器と、を備え、
活性成分としての触媒組成物が間隔をあけて前記燃焼路の壁面に定着されていることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物の単位面積当たりの量がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記触媒組成物がドット状となって前記燃焼路の壁面に点在し、
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項４】
前記燃焼路の壁面に担持体が膜状に成膜され、前記触媒組成物が前記担持体に担持されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の反応装置。
【請求項５】
前記燃焼路の壁面に担持体がドット状に点着され、前記触媒組成物が前記担持体に担持されることで前記触媒組成物がドット状に点在し、
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度がその位置における前記処理器への吸熱量に対応していることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の反応装置と、前記反応装置により生成された燃料により発電を行う発電セルとを備えることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の発電装置と、
前記発電装置によって発電された電気により動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項８】
吸熱を起こす処理器に、燃焼燃料と酸化剤が流れる燃焼路を形成した燃焼器を重ねてなる反応装置において、活性成分としての触媒組成物を、間隔をあけて前記燃焼路の壁面に定着させることを特徴とする触媒定着方法。
【請求項９】
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物の単位面積当たりの量をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする請求項８に触媒定着方法。
【請求項１０】
前記触媒組成物をドット状に前記燃焼路の壁面に点在させ、
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする請求項８に記載の触媒定着方法。
【請求項１１】
前記燃焼路の壁面に担持体を膜状に成膜した後に、前記触媒組成物を前記担持体に担持させることを特徴とする請求項８から１０の何れか一項に記載の触媒定着方法。
【請求項１２】
前記燃焼路の壁面に担持体をドット状に点着させ、前記担持体を被覆するように触媒組成物を塗布した後に、前記担持体に担持された触媒組成物を除いて前記触媒組成物を除去することによって前記触媒組成物をドット状に点在させることを特徴とする請求項８に記載の触媒定着方法。
【請求項１３】
前記燃焼路の壁面にゾル状の担持体をドット状に点着させ、前記担持体の乾燥後に触媒組成物を含有したスラリーを塗布して前記担持体を被覆することを特徴とする請求項１２に記載の触媒定着方法。
【請求項１４】
前記燃焼路の壁面にゾル状の担持体をドット状に点着させ、前記担持体の乾燥前に粉末状の触媒組成物を塗布して前記担持体を被覆することを特徴とする請求項１２に記載の触媒定着方法。
【請求項１５】
前記燃焼路の或る位置における前記触媒組成物のドット密度をその位置における前記処理器への吸熱量に対応させるように前記触媒組成物を分布させることを特徴とする請求項１２から１４の何れか一項に記載の触媒定着方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−６３１７７（Ｐ２００８−６３１７７Ａ）
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４１６９２（Ｐ２００６−２４１６９２）
【出願日】平成１８年９月６日（２００６．９．６）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月６日（２００６．９．６）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
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