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JP2006082020A - Chemical reaction apparatus and power supply system - Google Patents

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JP2006082020A
JP2006082020A JP2004269556A JP2004269556A JP2006082020A JP 2006082020 A JP2006082020 A JP 2006082020A JP 2004269556 A JP2004269556 A JP 2004269556A JP 2004269556 A JP2004269556 A JP 2004269556A JP 2006082020 A JP2006082020 A JP 2006082020A
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JP
Japan
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substrate
chemical reaction
reaction
film
bonding
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Application number
JP2004269556A
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Japanese (ja)
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Masatoshi Nomura
雅俊 野村
Osamu Nakamura
修 中村
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Casio Computer Co Ltd
Original Assignee
Casio Computer Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】 簡易な製造プロセスでより良好な接合状態を実現することができる構造であるとともに、一層の小型薄型化が可能な化学反応装置、及び、該化学反応装置を用いたポータブル型の電源システムを提供する。
【解決手段】 化学反応装置(マイクロリアクタ)は、概略、一面側に所定の幅及び深さを有する反応流路11が形成されたガラス(SiO)等の主基板10と、該主基板10の一面側に対向するように設けられ、他面側に所定の平面形状を有する薄膜ヒータ30が形成されたガラス(SiO)等の副基板20と、主基板10及び副基板20間に介在するように設けられた、アモルファス質を有するタンタルシリコン(Ta1−xSi)の一部を酸化してなる接合膜21と、を相互に積層するように接合した構成を有している。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a chemical reaction device having a structure capable of realizing a better bonding state by a simple manufacturing process and capable of being further reduced in size and thickness, and a portable power supply system using the chemical reaction device. I will provide a.
A chemical reaction apparatus (microreactor) generally includes a main substrate 10 made of glass (SiO 2 ) or the like in which a reaction channel 11 having a predetermined width and depth is formed on one side, and the main substrate 10. A sub-substrate 20 such as glass (SiO 2 ) provided with a thin-film heater 30 having a predetermined planar shape on the other surface side is provided between the main substrate 10 and the sub-substrate 20. And a bonding film 21 formed by oxidizing a part of tantalum silicon (Ta 1-x Si x ) having an amorphous material so as to be laminated to each other.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、化学反応装置及び電源システムに関し、特に、微小基板に形成された反応流路における反応により、所望の流体物質の生成が可能な化学反応装置、及び、該化学反応装置を適用した電源システムに関する。   The present invention relates to a chemical reaction apparatus and a power supply system, and in particular, a chemical reaction apparatus capable of generating a desired fluid substance by a reaction in a reaction channel formed on a micro substrate, and a power source to which the chemical reaction apparatus is applied. About the system.

従来、化学反応工学の分野においては、流体化された混合物質を反応流路(チャネル)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(「流路反応器」、又は、「チャネルリアクタ」ともいう)が知られている。
近年、このような化学反応装置の技術分野に、集積回路等の半導体デバイス製造技術で蓄積された微細加工技術等を導入した、いわゆる、マイクロマシン製造技術を適用して、例えば、単一のシリコンチップ上の微小空間にミリメートルオーダー又はミクロンオーダーの混合器や反応流路、分析器等の各種機能要素を集積化したマイクロリアクタ(又は、「マイクロチャネルリアクタ」ともいう)の研究開発が活発に行われている。
Conventionally, in the field of chemical reaction engineering, a chemical reaction apparatus ("" that produces a desired fluid substance by a chemical reaction (catalytic reaction) of a fluidized mixed substance by a catalyst provided in a reaction channel (channel). Also known as “flow channel reactor” or “channel reactor”).
In recent years, a so-called micromachine manufacturing technology, in which microfabrication technology or the like accumulated in semiconductor device manufacturing technology such as integrated circuits has been introduced to the technical field of such chemical reaction apparatus, for example, a single silicon chip Research and development of microreactors (or “microchannel reactors”) in which various functional elements such as millimeter-order or micron-order mixers, reaction flow paths, and analyzers are integrated in the micro space above are actively conducted. Yes.

ここで、従来技術におけるマイクロリアクタの概略構成について、図面を参照して簡単に説明する。
図17は、従来技術におけるマイクロリアクタの基本構造を示す概略構成図である。
マイクロリアクタは、概略、図17(a)、(b)、(c)に示すように、例えば、シリコン(Si)等の微小な主基板10pの一面側にフォトエッチング技術等を用いて、ミクロンオーダーの幅及び深さの溝状の断面構造を有し、かつ、所定の平面パターン(流路形状)を有する反応流路(マイクロチャネル)11pを形成し、該主基板10pの一面側に、上記反応流路11pの開放部(上記溝部の開口端)を閉止するようにガラス(SiO)等の閉止基板20pを接合した構成を有している。
Here, a schematic configuration of the microreactor in the prior art will be briefly described with reference to the drawings.
FIG. 17 is a schematic configuration diagram showing a basic structure of a microreactor in the prior art.
As schematically shown in FIGS. 17A, 17B, and 17C, the microreactor is, for example, on the micron order by using a photoetching technique or the like on one side of a small main substrate 10p such as silicon (Si). A reaction channel (microchannel) 11p having a groove-like cross-sectional structure with a width and a depth and having a predetermined plane pattern (channel shape) is formed on one side of the main substrate 10p. It has a configuration in which a closed substrate 20p such as glass (SiO 2 ) is joined so as to close the open portion of the reaction flow path 11p (the open end of the groove portion).

なお、このようなマイクロリアクタにおいて、反応流路で促進される化学反応(触媒反応)が、所定の熱条件による吸熱触媒反応を伴う場合には、図17(b)に示すように、上記反応流路11pの内壁面に所定の触媒を付着した触媒層12pが形成されるとともに、該化学反応時に反応流路11p(詳しくは、触媒層12p)に所定の熱エネルギーを供給するための発熱抵抗体等からなる薄膜ヒータ30pが形成された構成が適用される。ここで、薄膜ヒータ30pは、例えば、図17(b)、(c)に示すように、閉止基板20pの他面側(主基板10pとの接合側とは反対側の面)に、上記反応流路11pの平面パターン(流路形状)に対応する形状を有するように形成される。   In such a microreactor, when the chemical reaction (catalytic reaction) promoted in the reaction channel is accompanied by an endothermic catalytic reaction under a predetermined thermal condition, as shown in FIG. A catalyst layer 12p having a predetermined catalyst attached to the inner wall surface of the path 11p is formed, and a heating resistor for supplying predetermined heat energy to the reaction channel 11p (specifically, the catalyst layer 12p) during the chemical reaction. A configuration in which a thin film heater 30p made of, for example, is formed is applied. Here, as shown in FIGS. 17B and 17C, for example, the thin film heater 30p reacts with the above reaction on the other surface side of the closed substrate 20p (the surface on the side opposite to the bonding side with the main substrate 10p). It is formed so as to have a shape corresponding to the planar pattern (flow channel shape) of the flow channel 11p.

また、図17(a)、(c)においては、反応流路10p及び薄膜ヒータ30pの形状を明確にするために、便宜的にハッチングを施して示した。また、図17においては、化学反応装置の側部(主基板10pの側方端面)に反応流路11pへの流体物質の導入部13p及び排出部14pを設けた構成を示したが、主基板10p又は閉止基板20pに対して垂直方向(すなわち、図17(a)、(c)において、紙面に垂直方向)に上記導入部13p及び排出部14pが設けられた構成を有するものであってもよい。   Also, in FIGS. 17A and 17C, hatching is shown for convenience in order to clarify the shapes of the reaction flow path 10p and the thin film heater 30p. FIG. 17 shows a configuration in which the fluid substance introduction part 13p and the discharge part 14p to the reaction flow path 11p are provided on the side part of the chemical reaction apparatus (the side end face of the main board 10p). Even if it has a configuration in which the introduction portion 13p and the discharge portion 14p are provided in a direction perpendicular to 10p or the closed substrate 20p (that is, a direction perpendicular to the paper surface in FIGS. 17A and 17C). Good.

ここで、図17に示したようなマイクロリアクタの構成については、例えば、特許文献1等に、一方のガラス基板の一面側(接合面側)に所定の形状を有する流路となる溝部を形成し、該溝部の開放部を閉止するように、他方側の上部ガラス基板を重ねて接着もしくは加熱融着した構成が記載されている。   Here, regarding the configuration of the microreactor as shown in FIG. 17, for example, in Patent Document 1 or the like, a groove portion serving as a flow path having a predetermined shape is formed on one surface side (bonding surface side) of one glass substrate. In addition, a configuration is described in which the upper glass substrate on the other side is stacked and bonded or heat-sealed so as to close the open portion of the groove.

また、主基板10pと閉止基板20pとの接合性や密着性が良好でない場合、反応流路11pを流れる流体物質の漏洩による反応特性の劣化や動作不良、周辺機器への汚染等を生じたり、薄膜ヒータ30pからの熱エネルギーによる基板の熱膨張等により、接合面の剥離や基板の破損等を生じたりするため、極めて良好な接合状態が得られる手法を適用することが必要となる。このような要望に対応可能な接合方法としては、陽極接合が有効と考えられている。   In addition, when the bondability and adhesion between the main substrate 10p and the closed substrate 20p are not good, the reaction characteristics deteriorate or malfunction due to leakage of the fluid substance flowing through the reaction flow path 11p, and contamination to peripheral equipment occurs. Because the thermal expansion of the substrate due to the thermal energy from the thin film heater 30p causes peeling of the bonding surface, damage to the substrate, and the like, it is necessary to apply a technique that can obtain a very good bonding state. Anodic bonding is considered to be effective as a bonding method that can meet such demands.

図18は、従来技術におけるマイクロリアクタの製造プロセスに適用される陽極接合法を示す概念図である。ここで、上述したマイクロリアクタと同等の構成については、同一の符号を付して示し、反応流路及び薄膜ヒータについては図示を省略した。
陽極接合による基板相互の接合構造は、図18(a)に示すように、例えば、シリコン(Si)の主基板10pの一面側に、単体として陽極接合時に酸化される酸化用金属膜と、単体として陽極接合時に酸化されない非酸化用金属膜とを積層した接合金属膜15pを、周知の蒸着法やスパッタ法により形成し、その後、所定の温度条件で熱処理を施して双方の金属単体が共融混合した後、図18(b)に示すように、接合金属膜15p上にガラス(SiO)等の閉止基板20pを重ね、数百℃程度の温度条件下で、接合金属膜15pと閉止基板20p間に数百V程度の直流電圧を印加することにより、接合金属膜15p表面に分布する酸化性金属が閉止基板(ガラス基板)20pの酸素分子と結合して、接合強度の高い接合が実現されるというものである。
FIG. 18 is a conceptual diagram showing an anodic bonding method applied to a microreactor manufacturing process in the prior art. Here, the same components as those of the microreactor described above are denoted by the same reference numerals, and the reaction channel and the thin film heater are not shown.
As shown in FIG. 18 (a), for example, the substrate-to-substrate bonded structure by anodic bonding is formed on one side of the main substrate 10p made of silicon (Si) and a metal film for oxidation that is oxidized as a single body during anodic bonding. As a bonding metal film 15p formed by laminating a non-oxidizing metal film that is not oxidized during anodic bonding, a known vapor deposition method or sputtering method is formed, and then heat treatment is performed under a predetermined temperature condition so that both of the single metals are eutectic After the mixing, as shown in FIG. 18B, a closed substrate 20p such as glass (SiO 2 ) is stacked on the bonding metal film 15p, and the bonding metal film 15p and the closing substrate are heated under a temperature condition of about several hundred degrees Celsius. By applying a DC voltage of about several hundred volts between 20p, the oxidizing metal distributed on the surface of the bonding metal film 15p is combined with oxygen molecules on the closed substrate (glass substrate) 20p, thereby realizing bonding with high bonding strength. Be done It is intended to refer.

ここで、陽極接合の原理によれば、閉止基板であるガラス(SiO)基板との間で良好な接合状態が得られる、接合金属膜に適用される金属としては、例えば、アルミニウム(Al)やニッケル(Ni)等が知られているが、これらの金属と同等の挙動を示すシリコン(Si)を適用した場合であっても、ガラス基板との間で良好な接合状態が得られることが知られている。すなわち、図18(c)に示すように、シリコンからなる主基板(シリコン基板)10pとガラスからなる閉止基板(ガラス基板)20pとは、直接陽極接合することにより良好な接合状態が得られる。 Here, according to the principle of anodic bonding, a good bonding state can be obtained with a glass (SiO 2 ) substrate that is a closed substrate. As a metal applied to the bonding metal film, for example, aluminum (Al) Although nickel (Ni) and the like are known, even when silicon (Si) that exhibits the same behavior as these metals is applied, a good bonding state with a glass substrate can be obtained. Are known. That is, as shown in FIG. 18C, the main substrate (silicon substrate) 10p made of silicon and the closed substrate (glass substrate) 20p made of glass are directly bonded by anodic bonding to obtain a good bonded state.

特開2004−53545号公報 (第5頁〜第6頁、図1〜図4)JP 2004-53545 A (Pages 5 to 6, FIGS. 1 to 4)

上述したように、従来技術におけるマイクロリアクタにおいては、主基板と閉止基板との良好な接合状態(接合強度の高い接合)を実現するために、主基板と閉止基板間に接合金属膜を介在させて陽極接合した構成や、例えば、シリコンからなる主基板とガラスからなる閉止基板を直接陽極接合した構成が適用されている。   As described above, in the microreactor in the prior art, in order to realize a good bonding state (bonding with high bonding strength) between the main substrate and the closed substrate, a bonding metal film is interposed between the main substrate and the closed substrate. An anodic bonding configuration, for example, a configuration in which a main substrate made of silicon and a closed substrate made of glass are directly anodic bonded are applied.

しかしながら、上述したような接合構造のうち、シリコン基板からなる主基板とガラス基板からなる閉止基板とを直接陽極接合する構成においては、接合金属膜を形成する必要がないため、製造プロセスの簡素化を図ることができる利点を有するものの、主基板となるシリコン基板が非常に高価であるため、マイクロリアクタの製造コストが高騰するという問題を有していた。これは、主基板と閉止基板間に金属単体からなる接合金属膜を介在させた構成においても同様であり、主基板としてシリコン基板を適用した場合には、製造コストの高騰を招くという問題を有していた。   However, in the structure in which the main substrate made of the silicon substrate and the closed substrate made of the glass substrate are directly anodic bonded among the bonding structures as described above, it is not necessary to form a bonding metal film, so that the manufacturing process is simplified. However, since the silicon substrate as the main substrate is very expensive, there is a problem that the manufacturing cost of the microreactor increases. This also applies to a configuration in which a bonding metal film made of a single metal is interposed between the main substrate and the closed substrate. When a silicon substrate is applied as the main substrate, there is a problem that the manufacturing cost increases. Was.

そのため、主基板と閉止基板間に接合金属膜を介在させた構成において、例えば、ガラス基板を適用することが製造コストの面から有効であると考えられるが、このような構成においては、次に示すような問題を有していた。
例えば、単体として陽極接合時に酸化される酸化用金属膜と、単体として陽極接合時に酸化されない非酸化用金属膜とによって接合金属膜を構成した場合、とこの積層形成した接合金属膜を、所定の温度条件下で共融させて、酸化用金属膜を非酸化用金属中に拡散させて共融混合物となる接合金属膜表面に分布させることにより、陽極接合時に閉止基板(ガラス基板)とに接合するようにしているが、共融混合物の場合、原子レベルで均等に分散されないため、酸化用金属膜を組成する金属単体のドメイン群や、非酸化金属組成する金属単体のドメイン群が形成されてしまう。この場合、接合金属膜の表面に非酸化金属組成する金属単体のドメイン群が存在してしまうので、ガラス基板中の酸素原子によって酸化反応が起こらず、接合できない箇所が発生してしまい、基板の剥離や損傷を生じる恐れがあるという問題を有していた。
Therefore, in a configuration in which a bonding metal film is interposed between the main substrate and the closed substrate, for example, it is considered effective from the viewpoint of manufacturing cost to apply a glass substrate. Had problems as shown.
For example, when a bonding metal film is composed of an oxidation metal film that is oxidized during anodic bonding as a single body and a non-oxidation metal film that is not oxidized during anodic bonding as a single body, Bonded to a closed substrate (glass substrate) during anodic bonding by eutectic melting under temperature conditions and diffusing the metal film for oxidation into the non-oxidizing metal and distributing it on the surface of the bonding metal film as a eutectic mixture However, in the case of a eutectic mixture, since it is not uniformly dispersed at the atomic level, a domain group of simple metals composing the metal film for oxidation and a domain group of simple metals composing the non-oxidized metal are formed. End up. In this case, since a domain group of simple metals having a non-oxidized metal composition exists on the surface of the bonding metal film, an oxidation reaction does not occur due to oxygen atoms in the glass substrate, and a portion where bonding cannot be performed occurs. There was a problem that peeling or damage might occur.

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、簡易な製造プロセスでより良好な接合状態を実現することができる構造であるとともに、一層の小型薄型化が可能な化学反応装置、及び、該化学反応装置を用いたポータブル型の電源システムを提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above problems, the present invention has a structure capable of realizing a better bonding state with a simple manufacturing process, a chemical reaction device capable of further miniaturization and thinning, and the chemical reaction. An object is to provide a portable power supply system using the apparatus.

請求項1記載の発明は、所定の反応流路内で化学反応を生じる化学反応装置において、
少なくとも、
一面側に溝状の前記反応流路が形成された第1の基板と、
前記第1の基板に対向して設けられ、前記反応流路の開放端を閉止する第2の基板と、
前記第1の基板及び前記第2の基板との間に介在し、前記第1の基板及び前記第2の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合しているアモルファス質の接合膜と、を有することを特徴とする。
The invention according to claim 1 is a chemical reaction apparatus for generating a chemical reaction in a predetermined reaction channel.
at least,
A first substrate having a groove-like reaction channel formed on one side thereof;
A second substrate provided opposite to the first substrate and closing an open end of the reaction channel;
An amorphous bonding film interposed between the first substrate and the second substrate and bonded to an oxygen atom contained in one of the first substrate and the second substrate; It is characterized by having.

前記接合膜は、前記第1の絶縁性基板及び前記第2の絶縁性基板のいずれか一方側の前記基板に対してスパッタ法により薄膜形成されるとともに、他方側の前記基板に対して陽極接合により接合されていてもよい。
前記接合膜は、タンタルとシリコンとが固溶していることが好ましい。このような材料であると、陽極接合のような高温での酸化が進行しすぎないように抑えることができるので酸化しすぎによってもろくならない。
The bonding film is formed into a thin film by sputtering on the substrate on one side of the first insulating substrate and the second insulating substrate, and is anodic bonded to the substrate on the other side. May be joined.
In the bonding film, tantalum and silicon are preferably dissolved. With such a material, it is possible to prevent oxidation at a high temperature such as anodic bonding from proceeding excessively, so that the material does not become brittle due to excessive oxidation.

前記接合膜は、タンタル0.7に対し、シリコン0.3の組成比率に設定されていることが特に好ましい。
前記化学反応装置は、前記反応流路の内壁面に所定の触媒物質が付着形成された構成を有し、前記化学反応は、該触媒物質による触媒反応により、第1の流体物質を第2の流体物質に変換するものでもよい。
The bonding film is particularly preferably set to a composition ratio of silicon 0.3 with respect to tantalum 0.7.
The chemical reaction device has a configuration in which a predetermined catalytic material is attached to and formed on an inner wall surface of the reaction flow path, and the chemical reaction causes the first fluid material to be converted into the second fluid by the catalytic reaction with the catalytic material. It may be converted into a fluid substance.

前記化学反応装置は、所定の反応流路内で第1の流体物質を第2の流体物質に変換する化学反応を生じる反応装置であり、前記反応流路に対応する領域に温度調整層が形成された構成を有し、該温度調整層から供給される熱エネルギーにより、前記反応流路における前記化学反応が促進されてもよい。   The chemical reaction device is a reaction device that generates a chemical reaction in which a first fluid substance is converted into a second fluid substance in a predetermined reaction channel, and a temperature adjustment layer is formed in a region corresponding to the reaction channel. The chemical reaction in the reaction channel may be promoted by thermal energy supplied from the temperature adjustment layer.

この場合、前記第1の流体物質は、炭化水素系の気体と水蒸気とを含む混合ガスであり、前記第2の流体物質は、水素ガスであって、前記化学反応装置は、前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、前記第1の流体物質から前記第2の流体物質を生成するようにしてもよい。   In this case, the first fluid substance is a mixed gas containing a hydrocarbon-based gas and water vapor, the second fluid substance is hydrogen gas, and the chemical reaction device includes the reaction channel. The second fluid substance may be generated from the first fluid substance by generating a steam reforming reaction in the inside.

請求項6記載の発明は、所定の反応流路内で第1の流体物質を第2の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置を備え、該化学反応装置により生成された前記第2の流体物質を用いて電気エネルギーを生成する電源システムであって、前記化学反応装置は、少なくとも、一面側に溝状の前記反応流路が形成されたガラス基板からなる第1の絶縁性基板と、前記第1の基板及び前記第2の基板との間に介在し、前記第1の基板及び前記第2の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合しているアモルファス質の接合膜と、からなる反応部を備えていることを特徴とする。   The invention described in claim 6 includes a chemical reaction device for generating a chemical reaction for converting the first fluid substance into the second fluid substance in a predetermined reaction flow path, and the second reaction product generated by the chemical reaction device. The chemical reaction device includes at least a first insulating substrate made of a glass substrate having a groove-like reaction channel formed on one surface side thereof. An amorphous bonding film interposed between the first substrate and the second substrate and bonded to oxygen atoms contained in one of the first substrate and the second substrate; The reaction part which consists of these is provided, It is characterized by the above-mentioned.

前記電源システムにおいて、前記接合膜は、前記第1の基板及び前記第2の基板のいずれか一方にスパッタ法により薄膜形成される接合用金属膜を、陽極接合により前記第1の基板及び前記第2の基板の他方の酸素原子と結合して、前記第1の基板及び前記第2の基板が接合されてもよい。   In the power supply system, the bonding film includes a bonding metal film formed by sputtering on one of the first substrate and the second substrate, and the first substrate and the second substrate by anodic bonding. The first substrate and the second substrate may be bonded together with the other oxygen atom of the second substrate.

前記電源システムにおいて、前記接合膜は、タンタルとシリコンの化合物からなることが好ましい。
前記システムにおいて、前記接合膜は、タンタル0.7に対し、シリコン0.3の組成比率に設定されていることが特に好ましい。
In the power supply system, the bonding film is preferably made of a compound of tantalum and silicon.
In the system, the bonding film is particularly preferably set to a composition ratio of silicon 0.3 with respect to tantalum 0.7.

前記電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応流路の内壁面に所定の触媒物質が付着形成された構成を有するとともに、前記反応流路に対応する領域に温度調整層が形成された構成を有していてもよい。
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記反応部が複数積層形成された構成を有し、各反応部において、各々異なる前記化学反応を生じてもよい。
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置は、前記複数の反応部において、各々異なる前記化学反応を生じることにより、炭化水素系の液体燃料と水から水素ガスを生成してもよい。
In the power supply system, the chemical reaction device has a configuration in which a predetermined catalytic substance is attached and formed on an inner wall surface of the reaction channel, and a temperature adjustment layer is formed in a region corresponding to the reaction channel. You may have.
In the power supply system, the chemical reaction device may have a configuration in which a plurality of the reaction parts are stacked, and each reaction part may cause a different chemical reaction.
In the power supply system, the chemical reaction device may generate hydrogen gas from hydrocarbon-based liquid fuel and water by causing different chemical reactions in the plurality of reaction units.

前記電源システムにおいて、前記化学反応装置を構成する複数の前記反応部のうち、いずれか一つの前記反応部は、前記反応流路内で気化反応を生じることにより、炭化水素系の液体燃料と水から前記炭化水素系の気体と水蒸気を生成してもよい。
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置を構成する複数の前記反応部のうち、いずれか一つの前記反応部は、前記反応流路内で水蒸気改質反応を生じることにより、炭化水素系の気体と水蒸気から水素ガスを生成してもよい。
In the power supply system, any one of the plurality of reaction units constituting the chemical reaction device causes a vaporization reaction in the reaction flow path, whereby a hydrocarbon-based liquid fuel and water are generated. From the above, the hydrocarbon-based gas and water vapor may be generated.
In the power supply system, any one of the plurality of reaction units constituting the chemical reaction device may generate a hydrocarbon reforming reaction in the reaction flow path to generate a hydrocarbon-based gas. Hydrogen gas may be generated from water vapor.

前記電源システムにおいて、前記化学反応装置を構成する複数の前記反応部のうち、いずれか一つの前記反応部は、前記反応流路内で水性シフト反応及び選択酸化反応を生じることにより、一酸化炭素ガスと酸素を含む混合ガスから水素ガス及び二酸化炭素を生成してもよい。
前記電源システムにおいて、前記化学反応装置を構成する複数の前記反応部のうち、いずれか一つの前記反応部は、前記反応流路内で水素ガスの燃焼反応を生じることにより、他の前記反応部における前記化学反応を促進するための熱エネルギーを生成してもよい。
In the power supply system, any one of the plurality of reaction units constituting the chemical reaction device causes an aqueous shift reaction and a selective oxidation reaction in the reaction flow path, thereby producing carbon monoxide. Hydrogen gas and carbon dioxide may be generated from a mixed gas containing gas and oxygen.
In the power supply system, any one of the plurality of reaction units constituting the chemical reaction device causes the other reaction unit to generate a combustion reaction of hydrogen gas in the reaction channel. Thermal energy for promoting the chemical reaction in may be generated.

本発明によれば、接合膜のアモルファス質のために結晶性が比較的低いため、膜内部での結晶粒界の生成が抑制され、厚さ方向に酸化が進行しすぎないので、第1の基板及び第2の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合する際にもろくならず、良好に結合して第1の基板及び第2の基板の良好な接合状態が得られる。   According to the present invention, since the crystallinity is relatively low due to the amorphous nature of the bonding film, generation of crystal grain boundaries inside the film is suppressed, and oxidation does not proceed excessively in the thickness direction. When bonded to oxygen atoms contained in one of the substrate and the second substrate, it does not become brittle and bonds well and a good bonding state between the first substrate and the second substrate can be obtained.

以下、本発明に係る化学反応装置及び該化学反応装置を適用した電源システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
<化学反応装置>
まず、本発明に係る化学反応装置について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る化学反応装置及びその製造プロセスの一実施形態を示す概略図であり、図2は、本実施形態に係る化学反応装置に適用される反応流路の平面パターン(流路形状)の一例を示す概略図である。なお、図2においては、反応流路の形状を明確にするために、便宜的にハッチングを施して示した。
Embodiments of a chemical reaction apparatus according to the present invention and a power supply system to which the chemical reaction apparatus is applied will be described below with reference to the drawings.
<Chemical reactor>
First, a chemical reaction apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a chemical reaction device and a manufacturing process thereof according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view (flow pattern) of a reaction channel applied to the chemical reaction device according to this embodiment. It is the schematic which shows an example of a road shape. In FIG. 2, in order to clarify the shape of the reaction channel, it is hatched for convenience.

本発明に係る化学反応装置(マイクロリアクタ)は、概略、図1(a)に示すように、一面側に所定の幅及び深さの溝状の断面構造を有し、かつ、所定の平面パターン(流路形状)を有する反応流路11が形成されたガラス(SiO)等の主基板(第1の基板)10と、該主基板10の一面側に対向するように設けられ、他面側に所定の平面形状を有する薄膜ヒータ(温度調整層)30が形成されたガラス(SiO)等の副基板(第2の基板)20と、主基板10及び副基板20間に介在するように設けられた接合膜21と、を相互に積層するように接合した構成を有している。 A chemical reaction apparatus (microreactor) according to the present invention generally has a groove-like cross-sectional structure having a predetermined width and depth on one surface as shown in FIG. A main substrate (first substrate) 10 such as glass (SiO 2 ) in which a reaction channel 11 having a channel shape) is formed, and is provided to face one surface side of the main substrate 10, and the other surface side A sub-substrate (second substrate) 20 such as glass (SiO 2 ) on which a thin film heater (temperature adjustment layer) 30 having a predetermined planar shape is formed, and the main substrate 10 and the sub-substrate 20 are interposed. The provided bonding film 21 is bonded to each other so as to be laminated.

ここで、主基板10に形成された反応流路11の平面パターン(流路形状)は、例えば、図2(a)に示すように、上述した従来技術に示した構成と同様に、基板平面に対して、蛇行した形状を有しているものであってもよいし、図2(b)に示すように、流路の途中に比較的広い反応室15を有するものであってもよい。要するに、当該化学反応装置において実行される化学反応の種類や特性等に応じた適切な形状を有するものであればよい。   Here, the planar pattern (flow channel shape) of the reaction flow channel 11 formed on the main substrate 10 is, for example, as shown in FIG. On the other hand, it may have a meandering shape, or may have a relatively wide reaction chamber 15 in the middle of the flow path, as shown in FIG. In short, what is necessary is just to have an appropriate shape according to the type and characteristics of the chemical reaction executed in the chemical reaction apparatus.

なお、図2においては、上記反応流路11への流体物質の導入部13及び排出部14を、主基板10の側方端面に設けた構成を示したが、これに限定されるものではなく、基板面に対して垂直方向(すなわち、図2において、紙面に垂直方向)に上記導入部13及び排出部14が設けられた構成を有するものであってもよい。   2 shows a configuration in which the introduction part 13 and the discharge part 14 of the fluid substance to the reaction flow path 11 are provided on the side end surface of the main substrate 10, but the present invention is not limited to this. The introduction unit 13 and the discharge unit 14 may be provided in a direction perpendicular to the substrate surface (that is, a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 2).

また、反応流路11の内壁面には、例えば、該反応流路11内での化学反応(触媒反応)を促進するための触媒層12が形成され、また、副基板20の他面側(主基板との対向面とは反対側の面)に設けられた薄膜ヒータ30は、例えば、図17(c)に示した構成と同様に、上記反応流路11の平面パターン(流路形状)に対応する形状を有して形成されている。なお、薄膜ヒータ30は、副基板20の他面側に形成された構成に限定されるものではなく、例えば、主基板10の他面側に形成するものであってもよく、さらに、反応流路11の平面パターン(流路形状)に略一致するような形状(例えば、図2(a)に対応した蛇行形状)に限らず、反応流路11全体に対応する領域に、例えば、単体の矩形状を有するものであってもよい。   Further, on the inner wall surface of the reaction channel 11, for example, a catalyst layer 12 for promoting a chemical reaction (catalytic reaction) in the reaction channel 11 is formed, and the other surface side ( The thin film heater 30 provided on the surface opposite to the surface facing the main substrate) is, for example, a planar pattern (channel shape) of the reaction channel 11 as in the configuration shown in FIG. It has the shape corresponding to. The thin film heater 30 is not limited to the configuration formed on the other surface side of the sub-substrate 20, and may be formed on the other surface side of the main substrate 10, for example. It is not limited to a shape (for example, a meandering shape corresponding to FIG. 2 (a)) that substantially matches the planar pattern (flow channel shape) of the channel 11. It may have a rectangular shape.

また、図1(a)に示した構成において、少なくとも、副基板20を構成するガラス基板は、例えば、0.2mm以下の板厚を有し、主基板10と副基板20間に介在する接合膜21は、例えば、数百nm(数千Å)程度の膜厚を有する非晶質合金膜21aの少なくとも一部が副基板20中の酸素原子と結合している膜により構成されている。   In addition, in the configuration shown in FIG. 1A, at least the glass substrate constituting the sub-substrate 20 has a plate thickness of 0.2 mm or less, for example, and is joined between the main substrate 10 and the sub-substrate 20. The film 21 is constituted by a film in which at least a part of an amorphous alloy film 21 a having a film thickness of, for example, about several hundred nm (several thousand thousand) is bonded to oxygen atoms in the sub-substrate 20.

この接合膜は、陽極接合時にそれぞれ酸素原子と共有結合可能な複数の金属単体を有しこれら金属単体が非晶質構造となるような非晶質合金膜21a(図1(b)参照。)を陽極接合によって少なくとも酸化した膜である。接合膜21の状態での複数の金属単体はいずれも主基板10中のガラスに含まれる酸素原子と結合されているので良好に主基板10と副基板20とを良好に接合することができる。特に、本発明においては、非晶質合金膜として、特定の組成比率を有するタンタルとシリコンからなる金属化合物(タンタルシリコンTa1−xSi;x=0.3)を良好に適用することができる。なお、本発明に係る接合膜の具体的な構成(材質や膜質等)については、後に詳しく検証する。 This bonding film has a plurality of single metals that can be covalently bonded to oxygen atoms during anodic bonding, and an amorphous alloy film 21a in which these single metals have an amorphous structure (see FIG. 1B). Is a film at least oxidized by anodic bonding. Since the plurality of simple metals in the state of the bonding film 21 are all bonded to oxygen atoms contained in the glass in the main substrate 10, the main substrate 10 and the sub-substrate 20 can be bonded well. In particular, in the present invention, a metal compound (tantalum silicon Ta 1-x Si x ; x = 0.3) composed of tantalum and silicon having a specific composition ratio may be favorably applied as the amorphous alloy film. it can. The specific configuration (material, film quality, etc.) of the bonding film according to the present invention will be verified in detail later.

このような構成を有する化学反応装置の製造プロセスは、概略、図1(b)に示すように、まず、ガラス(SiO)からなる主基板10の一面側に、フォトエッチング技術等を用いて、例えば、ミクロンオーダーの幅及び深さの断面形状を有する溝部11aを形成し、溝部11aにアルミニウムを被膜後、陽極酸化して酸化アルミニウムからなる多孔質膜を形成する。その後、銅−亜鉛(Cu−Zn)系の触媒物質の懸濁液に浸漬してアニールすることにより、溝部11aの多孔質膜の内壁面に触媒粒子が担持された触媒層12を形成する。 As shown schematically in FIG. 1B, the manufacturing process of the chemical reaction device having such a configuration is first performed on one surface side of the main substrate 10 made of glass (SiO 2 ) using a photoetching technique or the like. For example, a groove 11a having a cross-sectional shape with a width and depth on the order of microns is formed, and aluminum is coated on the groove 11a, and then anodized to form a porous film made of aluminum oxide. Thereafter, the catalyst layer 12 having catalyst particles supported on the inner wall surface of the porous film of the groove 11a is formed by immersing in a suspension of a copper-zinc (Cu-Zn) catalyst material and annealing.

この主基板10側の溝部11aの形成工程とは独立して、例えば、板厚0.2mm以下のガラス(SiO)からなる副基板20の一面側に、タンタル原子とシリコン(珪素)原子が所定の比率(本発明においては、タンタル7に対してシリコン3の割合)でストライプ状に配置されたターゲットを用いたRFスパッタリング(スパッタ法)により、少なくとも数百nm厚の非晶質構造のタンタルシリコン(TaSi)の薄膜を含む非晶質合金膜21aを単一のプロセスにより形成する。非晶質合金膜21aの厚さは200nm〜500nm程度が陽極接合には適しているが、厚く堆積させすぎると、皺が生じてしまい膜厚が不均一になってしまうので200nm〜300nmの膜厚が好ましい。そして、副基板20の他面側に例えば、副基板20の他面側に金(Au)を含む発熱抵抗体等からなる薄膜ヒータ30を形成する。 Independently of the step of forming the groove 11a on the main substrate 10 side, for example, tantalum atoms and silicon (silicon) atoms are formed on one side of the sub-substrate 20 made of glass (SiO 2 ) having a thickness of 0.2 mm or less. Tantalum having an amorphous structure with a thickness of at least several hundreds of nanometers by RF sputtering (sputtering method) using a target arranged in a stripe pattern at a predetermined ratio (a ratio of silicon 3 to tantalum 7 in the present invention) An amorphous alloy film 21a including a silicon (TaSi) thin film is formed by a single process. The thickness of the amorphous alloy film 21a is about 200 nm to 500 nm, which is suitable for anodic bonding. However, if the film is deposited too thick, wrinkles occur and the film thickness becomes non-uniform. Thickness is preferred. Then, a thin film heater 30 made of a heating resistor containing gold (Au) or the like is formed on the other surface side of the sub substrate 20, for example.

次いで、上記主基板10の一面側と、副基板20の一面側に形成された非晶質合金膜21aとを対向するように重ねて、図1(c)に示すように、300℃〜800℃の温度条件で、主基板10と非晶質合金膜21aとの間に300V〜2000Vの直流電圧を印加して、陽極接合法により非晶質合金膜21aのタンタル原子及びシリコン原子ともにが主基板10のガラス成分である酸素原子と結びついて接合膜21となって主基板10と副基板20とを接合する。これにより、主基板に形成された溝部11aの開口端が副基板及び接合膜21により閉止され、所定の流路形状を有する反応流路11が形成される。   Next, the one surface side of the main substrate 10 and the amorphous alloy film 21a formed on the one surface side of the sub substrate 20 are overlapped so as to face each other, and as shown in FIG. A DC voltage of 300 V to 2000 V is applied between the main substrate 10 and the amorphous alloy film 21a under a temperature condition of ° C., and both tantalum atoms and silicon atoms of the amorphous alloy film 21a are mainly formed by anodic bonding. The main substrate 10 and the sub-substrate 20 are bonded together by combining with oxygen atoms, which are glass components of the substrate 10, to form a bonding film 21. Thereby, the open end of the groove 11a formed in the main substrate is closed by the sub-substrate and the bonding film 21, and the reaction channel 11 having a predetermined channel shape is formed.

なお、ここでは、図1(b)において、副基板側にスパッタ法により非晶質合金膜21aを形成するプロセスを示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、予め主基板10の一面側に非晶質合金膜21aを形成した後、溝部11aを形成し、副基板20を非晶質合金膜21aと接合することにより、溝部11aを閉止するようにしてもよい。また、例えば、副基板20の他面側に薄膜ヒータ30を形成した後、一方の面側に非晶質合金膜21aを形成するようにしてから陽極接合を行ってもよい。   Here, in FIG. 1B, the process of forming the amorphous alloy film 21a by the sputtering method on the sub-substrate side is shown, but the present invention is not limited to this. After forming the amorphous alloy film 21a on the one surface side of the substrate 10, the groove 11a may be formed, and the sub-substrate 20 may be bonded to the amorphous alloy film 21a to close the groove 11a. Further, for example, after the thin film heater 30 is formed on the other surface side of the sub-substrate 20, the anodic bonding may be performed after the amorphous alloy film 21a is formed on one surface side.

このような構成を有する化学反応装置において、例えば、メタノールと水からなる原料物質を気化した混合流体(混合ガス;第1の流体物質)を上記反応流路11内に導入するとともに、図示を省略したヒータ電源により薄膜ヒータ30に所定の電圧を印加して加熱し、反応流路11内に付着形成された触媒層12に所定の熱エネルギーを供給することにより、吸熱触媒反応(メタノール水蒸気改質反応)が生じて水素ガス(第2の流体物質)と少量の二酸化炭素が生成される。なお、メタノール等の炭化水素系(又は、アルコール系)の原料から触媒反応により水素ガスを生成する技術は、近年、本格的な実用化に向けての研究開発が目覚ましい燃料電池システムにおける燃料改質装置にも適用される技術であり、本発明に係る化学反応装置の燃料電池システムへの適用例については詳しく後述するものとする。   In the chemical reaction apparatus having such a configuration, for example, a mixed fluid (mixed gas; first fluid substance) obtained by vaporizing a raw material material composed of methanol and water is introduced into the reaction flow path 11 and is not illustrated. By applying a predetermined voltage to the thin-film heater 30 by the heater power source heated and supplying predetermined heat energy to the catalyst layer 12 adhered and formed in the reaction channel 11, an endothermic catalytic reaction (methanol steam reforming) Reaction) occurs to generate hydrogen gas (second fluid substance) and a small amount of carbon dioxide. The technology to generate hydrogen gas from hydrocarbon (or alcohol) raw materials such as methanol by catalytic reaction is a fuel reformer in fuel cell systems that has been remarkably researched and developed for full-scale practical use in recent years. This technique is also applied to the apparatus, and an application example of the chemical reaction apparatus according to the present invention to the fuel cell system will be described in detail later.

次に、上述した構成を有する化学反応装置に適用される接合膜21となる非晶質合金膜21aの材質及びその特性について、詳しく説明する。
本願発明者らは、本発明に係る化学反応装置に適用される接合膜21となる非晶質合金膜21aに適用可能な複数の金属材料(金属性材料)について、種々の実験を行い、その有効性について検証したところ、上述したように、タンタルとシリコンの金属化合物(Ta1−xSi)からなる非晶質合金が極めて良好な特性を示すことを見出した。以下、その理由を具体的に説明する。
Next, the material and characteristics of the amorphous alloy film 21a that becomes the bonding film 21 applied to the chemical reaction apparatus having the above-described configuration will be described in detail.
The inventors of the present application conducted various experiments on a plurality of metal materials (metallic materials) applicable to the amorphous alloy film 21a to be the bonding film 21 applied to the chemical reaction apparatus according to the present invention. When the effectiveness was verified, as described above, it was found that an amorphous alloy composed of a metal compound of tantalum and silicon (Ta 1-x Si x ) exhibits extremely good characteristics. The reason will be specifically described below.

図3は、本実施形態に係る非晶質合金膜に適用可能な金属材料(金属性材料)の特性を検証するために用いたモデル構造を示す概略図である。
本願発明者らは、非晶質合金膜に適用可能な種々の金属材料(金属性材料)を用いて、図1に示したような構成を有する化学反応装置に類似するモデル構造を用い、その特性の良否を判断した。ここでは、非晶質合金膜としての特性を検証するために、ガラス基板の一面側に数百nmの膜厚を有する金属薄膜をスパッタ法により形成し、その膜質について検討した。
FIG. 3 is a schematic view showing a model structure used for verifying the characteristics of a metal material (metallic material) applicable to the amorphous alloy film according to the present embodiment.
The inventors of the present application use a model structure similar to the chemical reaction apparatus having the configuration shown in FIG. 1 using various metal materials (metallic materials) applicable to the amorphous alloy film. The quality of the characteristics was judged. Here, in order to verify the characteristics as an amorphous alloy film, a metal thin film having a thickness of several hundred nm was formed on one surface side of a glass substrate by a sputtering method, and the film quality was examined.

具体的には、上記モデル構造として、図3(a)、(b)に示すように、ガラス基板SUB上にタンタルとシリコン、酸素からなる化合物膜(Ta−Si−O)である緩衝膜PRTを、例えば500nmの膜厚で形成した後、タンタル(Ta)薄膜、もしくは、本発明に係るタンタルシリコン(Ta1−xSi)からなる接合用金属膜LY(Ta)、非晶質合金膜LY(TaSi)を、例えば200nmの膜厚で積層形成した構成を用いて検証を行った。ここで、タンタル(Ta)は単体として、一般的に適用されている陽極接合時に酸化される金属材料であり、同様にシリコン(Si)は単体として、一般的に適用されている陽極接合時に酸化される金属材料である。また、ガラス基板(例えば、閉止基板)上に形成したタンタル、シリコン、酸素からなる化合物膜(Ta−Si−O)である緩衝膜PRTは、本モデル構造を実際の化学反応装置に適用した場合、陽極接合する際に当該ガラス基板内に含まれるアルカリイオンが析出するのを防止するための保護膜である。 Specifically, as the model structure, as shown in FIGS. 3A and 3B, a buffer film PRT which is a compound film (Ta—Si—O) made of tantalum, silicon, and oxygen on a glass substrate SUB. For example, a tantalum (Ta) thin film, or a bonding metal film LY (Ta) made of tantalum silicon (Ta 1-x Si x ) according to the present invention, an amorphous alloy film The verification was performed using a configuration in which LY (TaSi) was formed to have a thickness of, for example, 200 nm. Here, tantalum (Ta) is a metal material which is oxidized during anodic bonding, which is generally applied as a simple substance, and similarly, silicon (Si) is oxidized as a simple substance, during anodic bonding which is generally applied. Metal material. In addition, the buffer film PRT, which is a compound film (Ta—Si—O) made of tantalum, silicon, and oxygen formed on a glass substrate (for example, a closed substrate) is applied to an actual chemical reaction apparatus. It is a protective film for preventing the alkali ions contained in the glass substrate from being deposited during anodic bonding.

図4は、比較例として基板上に被膜された(Ta−Si−O)緩衝膜PRT上に、200nm厚のタンタル単体の膜の成膜直後の組成比率を示す図であり、図5は、図4のタンタル単体膜を陽極接合時の温度範囲で熱処理した後の組成比率を示す図である。図6は、図4に示す、基板上に形成したタンタル膜の結晶性を検証のためのX線回折測定の結果を示すデータである。   FIG. 4 is a diagram showing a composition ratio immediately after the formation of a tantalum film having a thickness of 200 nm on a (Ta—Si—O) buffer film PRT coated on a substrate as a comparative example, and FIG. It is a figure which shows the composition ratio after heat-processing the tantalum single-piece | unit film | membrane of FIG. 4 in the temperature range at the time of anodic bonding. FIG. 6 is data showing the results of X-ray diffraction measurement for verifying the crystallinity of the tantalum film formed on the substrate shown in FIG.

まず、ガラス基板SUB上にタンタル、シリコン、酸素からなる緩衝膜PRTと、タンタル(Ta)からなる接合用金属膜LY(Ta)を積層したモデル構造(図3(a))においては、成膜直後においては、図4に示すように、タンタルが大気中の酸素により比較的酸化しやすい特性を有しているため、当該接合用金属膜LY(Ta)のごく表層において酸素の組成比率(含有量)が高くなるものの、緩衝膜PRTとの境界である、膜表面からの深さ(膜厚)200nmの領域まで全域にわたり、タンタルのみが含まれる組成を示した。なお、膜表面からの深さが200nmよりも深い領域では、保護膜である緩衝膜PRTを構成するタンタル、シリコン、酸素による所定の組成比率(モル比)が概ね、タンタル0.2、シリコン0.1、酸素0.7を示す。   First, in the model structure (FIG. 3A) in which a buffer film PRT made of tantalum, silicon, and oxygen and a bonding metal film LY (Ta) made of tantalum (Ta) are stacked on a glass substrate SUB. Immediately after that, as shown in FIG. 4, since tantalum has a characteristic that it is relatively easily oxidized by oxygen in the atmosphere, the composition ratio of oxygen (contained in the very surface layer of the bonding metal film LY (Ta)). Although the amount was high, a composition containing only tantalum was shown over the entire region up to a depth (film thickness) of 200 nm from the film surface, which is a boundary with the buffer film PRT. In a region where the depth from the film surface is deeper than 200 nm, the predetermined composition ratio (molar ratio) of tantalum, silicon, and oxygen constituting the buffer film PRT that is the protective film is approximately tantalum 0.2, silicon 0. 0.1, oxygen 0.7.

次いで、本モデル構造に対して、大気中にて400℃の温度を30分間継続して印加する熱処理を施した後においては、図5に示すように、タンタルの膜厚である200nmの深さ領域までほぼ全域にわたり、酸素の組成比率が上昇し、大気中の酸素による酸化が進行したことが判明した。   Next, after this model structure is subjected to a heat treatment in which a temperature of 400 ° C. is continuously applied for 30 minutes in the air, as shown in FIG. It was found that the composition ratio of oxygen increased almost throughout the region, and oxidation by oxygen in the atmosphere progressed.

これは、例えば、シリコン基板上に、スパッタ法を用いて数百nmの膜厚で薄膜形成したタンタル膜の結晶性をX線回折装置を用いて測定すると、図6に示すように、タンタル特有の回折角度(2θ)である概ね33〜34付近degに、幅が狭く極めて高い強度(概ね12000CPS程度)を示す鋭峻なピークが得られることから、基板上に形成されたタンタルの薄膜は結晶性が極めて高い膜質(単結晶性)を有し、これにより、膜内部で結晶粒界が生じ、上述したような大気中での熱処理により該粒界に酸素が入り込んで、タンタル膜の全域にわたり酸化が進行したものと考えられる。
このようなタンタル単体からなる金属膜の全域にわたり酸化が進行すると、膜質がもろくなって接合状態が劣化し、接合強度が不足して基板の剥離、損傷等を生じる問題がある。
For example, when the crystallinity of a tantalum film formed with a film thickness of several hundreds of nanometers on a silicon substrate by using a sputtering method is measured using an X-ray diffractometer, as shown in FIG. A tantalum thin film formed on the substrate has a sharp peak indicating a very narrow intensity and a very high intensity (approximately 12000 CPS) at about 33 to 34 deg. It has an extremely high film quality (single crystallinity), and as a result, a crystal grain boundary is generated inside the film, and oxygen enters the grain boundary by the heat treatment in the atmosphere as described above, and covers the entire tantalum film. It is thought that oxidation progressed.
When oxidation progresses over the entire area of such a metal film made of tantalum alone, the film quality becomes brittle, the bonding state deteriorates, and there is a problem that the bonding strength is insufficient and the substrate is peeled off or damaged.

図7は、基板上に被膜された(Ta−Si−O)緩衝膜PRT上に、200nm厚の非晶質のタンタルシリコンを非晶質合金膜に適用した場合の成膜直後の組成比率を示す図であり、図8は、図7のタンタルシリコンの非晶質合金膜を、陽極接合時の温度範囲に熱処理した後の組成比率を示す図である。図9は、シリコン基板上に形成したタンタルシリコン膜の結晶性を検証のためのX線回折測定の結果を示すデータである。また、図10は、シリコン基板のX線回折測定の結果を示すデータである。   FIG. 7 shows the composition ratio immediately after film formation when amorphous tantalum silicon having a thickness of 200 nm is applied to the amorphous alloy film on the (Ta—Si—O) buffer film PRT coated on the substrate. FIG. 8 is a diagram showing the composition ratio after the amorphous alloy film of tantalum silicon in FIG. 7 is heat-treated in the temperature range during anodic bonding. FIG. 9 is data showing the results of X-ray diffraction measurement for verifying the crystallinity of the tantalum silicon film formed on the silicon substrate. FIG. 10 is data showing the results of X-ray diffraction measurement of the silicon substrate.

これに対して、本発明であるガラス基板SUB上にタンタル、シリコン、酸素からなる緩衝膜PRTと、タンタルシリコン(Ta1−xSi;x=0.3)からなる非晶質合金膜LY(TaSi)を積層したモデル構造(図3(b))においては、成膜直後、図7に示すように、タンタルシリコンは非晶質構造であるため表面にヒビが入りにくく、大気中では非常に安定した状態にあり、大気中の酸素による酸化をほとんど受けない特性を有しているため、当該非晶質合金膜LY(TaSi)と緩衝膜PRTとの境界である、膜表面からの深さ(膜厚)200nmの領域まで全域にわたり、タンタルとシリコンが略均一な組成モル比率(概ね、タンタル0.7、シリコン0.3)を示した。 On the other hand, a buffer film PRT made of tantalum, silicon, and oxygen and an amorphous alloy film LY made of tantalum silicon (Ta 1-x Si x ; x = 0.3) on the glass substrate SUB according to the present invention. In the model structure in which (TaSi) is laminated (FIG. 3 (b)), as shown in FIG. 7, immediately after film formation, tantalum silicon has an amorphous structure, so the surface is difficult to crack and is extremely difficult in the atmosphere. Since it is in a stable state and hardly oxidized by oxygen in the atmosphere, it has a depth from the film surface that is a boundary between the amorphous alloy film LY (TaSi) and the buffer film PRT. The compositional molar ratio of tantalum and silicon (generally tantalum 0.7, silicon 0.3) was shown over the entire area up to a thickness of 200 nm.

次いで、上述したタンタル薄膜を用いた場合と同様に、本モデル構造に対して、大気中にて400℃の温度を30分間継続して印加する熱処理を施した後においては、図8に示すように、当該非晶質合金膜LY(TaSi)のごく表層において酸素の組成比率(含有量)が高くなるものの、200nmの深さ領域までほぼ全域にわたり、タンタルとシリコンが略均一な組成比率(概ね、タンタル0.7、シリコン0.3)を示した。すなわち、非晶質合金膜LY(TaSi)の表層においてのみ、酸化が進行したことが判明した。   Next, as in the case of using the tantalum thin film described above, after the heat treatment that continuously applies a temperature of 400 ° C. in the atmosphere for 30 minutes to the model structure, as shown in FIG. Furthermore, although the composition ratio (content) of oxygen is high in the very surface layer of the amorphous alloy film LY (TaSi), the composition ratio of tantalum and silicon is substantially uniform over almost the entire region up to a depth of 200 nm (generally Tantalum 0.7, silicon 0.3). That is, it was found that oxidation progressed only in the surface layer of the amorphous alloy film LY (TaSi).

これは、例えば、シリコン基板上に、スパッタ法を用いて数百nmの膜厚で薄膜形成したタンタルシリコン膜の結晶性をX線回折装置を用いて測定すると、図9に示すように、X線回折の結果においても、タンタルシリコン特有の回折角度(2θ)の近傍である概ね35〜40deg付近に、幅が広く比較的低い強度(概ね5000CPS程度)を示す比較的緩やかなピークが得られることから、基板上に形成されたタンタルシリコンの薄膜は結晶性が比較的低い膜質、すなわち、アモルファス質となるようにタンタル及びシリコンが固溶しており、これにより、膜内部での結晶粒界の生成が抑制され、上述したような大気中での熱処理によっても酸素が膜内部に入り込むことがなく、膜のほぼ全域にわたりタンタルとシリコンの均一な組成が保持されたものと考えられる。   For example, when the crystallinity of a tantalum silicon film formed with a film thickness of several hundreds of nanometers on a silicon substrate using a sputtering method is measured using an X-ray diffractometer, as shown in FIG. Also in the result of line diffraction, a relatively gentle peak showing a wide and relatively low intensity (about 5000 CPS) is obtained in the vicinity of approximately 35 to 40 deg, which is in the vicinity of the diffraction angle (2θ) peculiar to tantalum silicon. Therefore, the tantalum silicon thin film formed on the substrate has a relatively low crystallinity, that is, tantalum and silicon are in solid solution so as to be amorphous. The generation is suppressed, and oxygen does not enter the film even by the heat treatment in the atmosphere as described above, and a uniform composition of tantalum and silicon is maintained over almost the entire area of the film. It is considered to have been.

したがって、本発明に係るタンタルシリコンからなる非晶質合金膜を適用することにより、陽極接合時に酸化が進行しすぎて膜質がもろくならず、さらに非晶質合金膜を構成する複数の金属単体(タンタル単体及びシリコン単体)はともに陽極接合時に酸素と結合することができるので、接合されるガラス基板に含まれる酸素分子と非晶質合金膜とが良好に結合して良好な接合状態が得られるとともに、非晶質合金膜の膜質の劣化を防止して接合強度の良好な化学反応装置を実現することができる。   Therefore, by applying the amorphous alloy film made of tantalum silicon according to the present invention, the oxidation does not proceed excessively at the time of anodic bonding and the film quality does not become brittle. Since both tantalum and silicon alone can be bonded to oxygen during anodic bonding, oxygen molecules contained in the glass substrate to be bonded and the amorphous alloy film can be bonded well to obtain a good bonding state. At the same time, it is possible to realize a chemical reaction apparatus with good bonding strength by preventing deterioration of the quality of the amorphous alloy film.

なお、図6に示した実験データにおいて、タンタル特有の回折角度ではない65deg付近に微小なピーク(強度4000CPS程度)が認められ、また、図9に示した実験データにおいても、回折角度55deg付近に微小なピーク(強度4000CPS程度)が認められる。このピークについて、上記各金属材料による薄膜を形成するために適用したシリコン基板単体を用いてX線回折測定を行うと、図10に示すように、シリコン特有の鋭峻なピークが回折角度55deg付近に観測された。これにより、図9における微小なピークは、基板を構成するシリコン原子によるものと推定され、図6における微小なピークは、詳細は不明であるものの、X線回折測定器内の不純物やシリコン基板に含まれる不純物等に起因するものと推定される。   In the experimental data shown in FIG. 6, a minute peak (intensity of about 4000 CPS) is recognized around 65 deg, which is not a diffraction angle peculiar to tantalum, and also in the experimental data shown in FIG. A minute peak (intensity of about 4000 CPS) is observed. When X-ray diffraction measurement is performed on this peak using a single silicon substrate applied to form a thin film of each of the above metal materials, as shown in FIG. 10, a sharp peak peculiar to silicon is around a diffraction angle of 55 deg. Observed. As a result, the minute peak in FIG. 9 is presumed to be due to silicon atoms constituting the substrate, and the minute peak in FIG. 6 is not known in detail, but the impurities in the X-ray diffractometer or silicon substrate. It is presumed to be caused by impurities contained therein.

次いで、上述したタンタル膜とタンタルシリコン膜における結晶性に伴うテンションについて検証する。
図11は、本実施形態に係る非晶質合金膜に適用されるタンタルシリコンと、その比較対象としたタンタルにおけるストレス特性を示す実験結果である。
Next, the tension accompanying the crystallinity in the tantalum film and the tantalum silicon film described above is verified.
FIG. 11 shows experimental results showing stress characteristics of tantalum silicon applied to the amorphous alloy film according to the present embodiment and tantalum as a comparison target.

本願発明者らは、上述したモデル構造(図3)のように、ガラス基板の一面側に非晶質合金膜を薄膜形成した構成において、非晶質合金膜の膜質と基板に印加されるストレスとの関係を検証したところ、例えば、ガラス基板の板厚が概ね0.7mm以上の場合では、数百nm(100nm〜1μm)程度の膜厚を有するタンタル(Ta)からなる金属膜をスパッタ法により形成した場合には、ガラス基板の平板性は良好に保持されるのに対して、化学反応装置の小型薄型化のために、ガラス基板の板厚を概ね0.2mm以下にした場合には、同様のプロセス条件において、ガラス基板の平板性が損なわれ、反り返りが発生することが確認された。   In the configuration in which the amorphous alloy film is formed on one surface side of the glass substrate as in the above-described model structure (FIG. 3), the inventors of the present application have the film quality of the amorphous alloy film and the stress applied to the substrate. As a result, for example, when the thickness of the glass substrate is approximately 0.7 mm or more, a metal film made of tantalum (Ta) having a thickness of about several hundred nm (100 nm to 1 μm) is sputtered. In the case where the thickness of the glass substrate is approximately 0.2 mm or less in order to reduce the size and thickness of the chemical reaction device, the flatness of the glass substrate is maintained satisfactorily. It was confirmed that, under the same process conditions, the flatness of the glass substrate was impaired and warping occurred.

このような現象は、上述したX線回折データ(図6参照)に示したように、タンタル膜の結晶性が比較的高いことから、これに伴うテンション(伸張力又は圧縮力)に起因して、図11中、SPaに示すように、ガラス基板とタンタル膜との間に極めて高いストレス(引っ張り又は圧縮応力の差;概ね28×1010dyn/cm程度のストレス値)が生じることによると考えられる。 Such a phenomenon is caused by the tension (extension force or compression force) accompanying the relatively high crystallinity of the tantalum film as shown in the X-ray diffraction data (see FIG. 6). In FIG. 11, as indicated by SPa, an extremely high stress (a difference in tensile or compressive stress; a stress value of approximately 28 × 10 10 dyn / cm 2 ) is generated between the glass substrate and the tantalum film. Conceivable.

これに対して、本発明に係る非晶質合金膜に適用されるタンタルシリコンについて、同様に、板厚が概ね0.2mm以下のガラス基板に膜厚が数百nm(100nm〜1μm)程度のタンタルシリコンからなる非晶質合金膜をスパッタ法により形成した場合に生じるストレスについて測定したところ、上述したX線回折データ(図9参照)に示したように、タンタルシリコンの薄膜は結晶性が比較的低い膜質(アモルファス質)を有していることから、これによるテンションは大幅に低くなり、図11中、SPbに示すように、ガラス基板ととの間にほとんどストレスが生じない(略0dyn/cmのストレス値)ことが判明した。したがって、ガラス基板の平板性を良好に保持することができる。 On the other hand, for tantalum silicon applied to the amorphous alloy film according to the present invention, the film thickness is approximately several hundred nm (100 nm to 1 μm) on a glass substrate having a plate thickness of approximately 0.2 mm or less. When the stress generated when an amorphous alloy film made of tantalum silicon is formed by sputtering is measured, as shown in the X-ray diffraction data (see FIG. 9), the tantalum silicon thin film has a comparative crystallinity. Therefore, as shown in SPb in FIG. 11, almost no stress is generated between the substrate and the glass substrate (substantially 0 dyn /). cm 2 stress value). Therefore, the flatness of the glass substrate can be maintained well.

このように、比較的薄い基板上に、膜の全域でアモルファス質の(結晶性の低い)酸化性金属薄膜を形成することにより、膜内部で生じる結晶粒界を抑制して、大気中の酸素による酸化の進行を抑制して膜質の劣化を防止することができるとともに、当該結晶性に起因するテンションを低減して、基板との間で生じるストレスを低減して基板の平板性を良好に保持することができる。   In this way, by forming an amorphous (low crystallinity) oxide metal thin film over the entire area of the film on a relatively thin substrate, crystal grain boundaries generated inside the film are suppressed, and oxygen in the atmosphere is reduced. It is possible to prevent deterioration of the film quality by suppressing the progress of oxidation due to, and to reduce the tension caused by the crystallinity, reduce the stress generated between the substrate and maintain the flatness of the substrate well can do.

特に、今回、本願発明者らは、上述したような実験結果に鑑み、種々検討を重ねた結果、0.2mm以下の比較的薄い板厚を有するガラス基板上に、非晶質合金膜をスパッタ法により形成する場合、該非晶質合金膜に適用される薄膜材料として、アモルファス質を有する金属化合物、より詳しくは、例えば、タンタルとシリコンの金属化合物(Ta1−xSi)であって、その組成比率をタンタル0.7に対してシリコン0.3に設定した場合(x=0.3)に、非晶質合金膜としての基板との接合状態、大気中での耐酸化性、基板との間に生じるストレス、製造プロセスの容易性等の各観点から最適な材料であるとの結論に達した。 In particular, the inventors of the present application have made various studies in view of the above experimental results, and as a result, sputtered an amorphous alloy film on a glass substrate having a relatively thin plate thickness of 0.2 mm or less. When formed by the method, the thin film material applied to the amorphous alloy film is a metal compound having an amorphous material, more specifically, for example, a metal compound of tantalum and silicon (Ta 1-x Si x ), When the composition ratio is set to silicon 0.3 with respect to tantalum 0.7 (x = 0.3), the bonding state with the substrate as the amorphous alloy film, the oxidation resistance in the atmosphere, the substrate It was concluded that the material is optimal in terms of the stress that occurs between the two and the ease of the manufacturing process.

以上のことから、本実施形態に係る化学反応装置においては、溝状の反応流路が形成されたガラス基板からなる主基板と、該反応流路の開放端を閉止するためのガラス基板からなる副基板との間に、アモルファス質の単一層の金属膜、例えば、タンタルシリコンTa1−xSiからなる(より望ましくは、タンタル0.7に対してシリコン0.3の組成比率を有する)非晶質合金膜を介在させた構成を有することにより、当該非晶質合金膜を副基板に単一のスパッタ処理で形成することができるとともに、主基板との陽極接合までの間、大気中(酸素を含む雰囲気下)で搬送や保管した場合であっても、非晶質合金膜の表面のみならず膜内部においても酸化されにくいので、基板の取り扱いが容易になるとともに、プロセスの簡易化や低コスト化を図ることができる。 From the above, the chemical reaction apparatus according to the present embodiment includes a main substrate made of a glass substrate on which a groove-like reaction channel is formed and a glass substrate for closing the open end of the reaction channel. It is made of an amorphous single layer metal film, for example, tantalum silicon Ta 1-x Si x (more preferably, having a composition ratio of silicon 0.3 to tantalum 0.7) between the sub-substrate. By having a configuration in which an amorphous alloy film is interposed, the amorphous alloy film can be formed on the sub-substrate by a single sputtering process, and in the atmosphere until anodic bonding with the main substrate. Even when transported and stored (in an atmosphere containing oxygen), it is difficult to oxidize not only on the surface of the amorphous alloy film but also on the inside of the film, thus making it easier to handle the substrate and simplifying the process. Or low It is possible to reduce the list of.

また、非晶質合金膜の表面に分布して、陽極接合に直接寄与する金属の量が、タンタルシリコンの組成比率により設定されるので、タンタルとガラス基板中の酸素分子との非晶質状態を制御して良好な接合状態を実現することができる。
また、基板上にスパッタ法により薄膜形成されるタンタルシリコン膜は、結晶性の低いアモルファス質の膜質を有しているので、ストレス値が極めて低く、副基板へのテンションの影響を抑制することができ、副基板の反り返り等の発生を抑制することができる。
さらに、本実施形態に係る化学反応装置によれば、主基板及び副基板として、ガラス基板を適用することができるので、主基板として高価なシリコン基板等を適用した場合に比較して、化学反応装置を安価に製造することができる。
In addition, since the amount of metal that is distributed on the surface of the amorphous alloy film and directly contributes to anodic bonding is set by the composition ratio of tantalum silicon, the amorphous state of tantalum and oxygen molecules in the glass substrate Can be controlled to realize a good bonding state.
In addition, since the tantalum silicon film formed on the substrate by a sputtering method has an amorphous film quality with low crystallinity, the stress value is extremely low, and the influence of tension on the sub-substrate can be suppressed. And the occurrence of warping of the sub-board can be suppressed.
Furthermore, according to the chemical reaction device according to the present embodiment, since a glass substrate can be applied as the main substrate and the sub-substrate, compared with the case where an expensive silicon substrate or the like is applied as the main substrate, the chemical reaction The device can be manufactured at low cost.

<電源システムへの適用例>
次に、本発明に係る化学反応装置を、燃料電池を備えた電源システムに適用した場合の具体例について説明する。
図12は、本発明に係る化学反応装置を適用可能な電源システム(燃料電池システム)の一実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。なお、ここでは、電源システムとして、燃料改質供給方式を採用した固体高分子型の燃料電池を備えた構成について説明する。
<Application example to power system>
Next, a specific example when the chemical reaction device according to the present invention is applied to a power supply system including a fuel cell will be described.
FIG. 12 is a schematic block diagram showing the overall configuration of an embodiment of a power supply system (fuel cell system) to which the chemical reaction apparatus according to the present invention can be applied. Here, a configuration provided with a polymer electrolyte fuel cell employing a fuel reforming supply system as a power supply system will be described.

図12に示すように、本実施形態に係る電源システム(燃料電池システム)100は、概略、メタノールCHOH等の炭化水素系の発電用燃料と水HOが個別に封入された燃料カートリッジ(発電用燃料容器)120と、該燃料カートリッジ120から取り出された発電用燃料(メタノールCHOH)を改質して水素ガスHを取り出す改質部(改質手段)112と、水素ガスHと酸素Oとを用いた電気化学反応により電気エネルギーを生成する固体高分子型の燃料電池からなる発電セル部(燃料電池本体)111と、発電セル部111における電気化学反応により生成された副生成物である水HOを回収するとともに、少なくとも発電セル部111の電解質膜(イオン交換膜)への当該水の供給状態を制御する水回収制御部(水回収制御手段)113と、燃料カートリッジ120に封入された発電用燃料の改質部への供給状態を制御する燃料供給制御部(燃料供給制御手段)114と、少なくとも燃料カートリッジ120に封入された水の発電セル部111の電解質膜への供給状態を制御する水供給制御部(水供給制御手段)115と、を備えた構成を有している。 As shown in FIG. 12, the power supply system (fuel cell system) 100 according to this embodiment is roughly a fuel cartridge in which hydrocarbon-based power generation fuel such as methanol CH 3 OH and water H 2 O are individually enclosed. (Power generation fuel container) 120, a reforming section (reforming means) 112 for reforming the power generation fuel (methanol CH 3 OH) taken out from the fuel cartridge 120 to extract hydrogen gas H 2 , and hydrogen gas A power generation cell unit (fuel cell main body) 111 composed of a solid polymer fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction using H 2 and oxygen O 2 , and an electrochemical reaction in the power generation cell unit 111 and with water recovery H 2 O by-product, water recovery for controlling the supply state of the water to the electrolyte membrane at least the power generation cell section 111 (an ion exchange membrane) Control unit (water recovery control unit) 113, fuel supply control unit (fuel supply control unit) 114 that controls the supply state of the fuel for power generation enclosed in fuel cartridge 120 to the reforming unit, and at least fuel cartridge 120 The water supply control part (water supply control means) 115 which controls the supply state to the electrolyte membrane of the power generation cell part 111 of the enclosed water is provided.

ここで、発電セル部111、改質部112、水回収制御部113、燃料供給制御部114及び水供給制御部115は、発電モジュール110を構成し、該発電モジュール110に対して、燃料カートリッジ120が着脱可能に構成されている。したがって、後述するように、発電モジュール110は、例えば、本発明に係る燃料電池システムが搭載される電子機器に内蔵され、あたかも乾電池やバッテリ等を交換する場合と同様の使い勝手で、該電子機器(発電モジュール)に対して、燃料カートリッジ120のみを着脱(交換)することにより発電用燃料及び水が補給される。   Here, the power generation cell unit 111, the reforming unit 112, the water recovery control unit 113, the fuel supply control unit 114, and the water supply control unit 115 constitute a power generation module 110, and a fuel cartridge 120 is provided to the power generation module 110. Is configured to be detachable. Therefore, as will be described later, the power generation module 110 is built in, for example, an electronic device in which the fuel cell system according to the present invention is mounted, and has the same usability as when a dry battery or a battery is replaced. The fuel and water for power generation are replenished by attaching / detaching (changing) only the fuel cartridge 120 to / from the power generation module).

以下、各構成について詳しく説明する。
(発電セル部111)
図13は、本実施形態に係る電源システムに適用可能な固体高分子型の燃料電池を示す概略構成図である。
本実施形態に係る電源システム(燃料電池システム)に適用される発電セル部(燃料電池本体)111は、図13に示すように、概略、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるアノード極ELaと、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるカソード極ELcと、アノード極ELaとカソード極ELcの間に介挿されたフィルム状の電解質膜(イオン交換膜)LYiと、を有し、アノード極ELa側には、後述する燃料供給制御部114及び改質部112により発電用燃料(メタノールCHOH)を改質して得られた水素ガスHが供給され、一方、カソード極ELc側は、例えば、外気に連通して、大気(空気)中の酸素Oが直接かつ常時供給されるように構成されている。
Hereinafter, each configuration will be described in detail.
(Power generation cell unit 111)
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a solid polymer fuel cell applicable to the power supply system according to the present embodiment.
As shown in FIG. 13, a power generation cell unit (fuel cell main body) 111 applied to the power supply system (fuel cell system) according to this embodiment is roughly a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum, platinum / ruthenium are attached. An anode electrode ELa comprising a cathode electrode ELc comprising a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum are attached, and a film-like electrolyte membrane (ion exchange membrane) LYi interposed between the anode electrode ELa and the cathode electrode ELc The hydrogen gas H 2 obtained by reforming the power generation fuel (methanol CH 3 OH) by the fuel supply control unit 114 and the reforming unit 112 described later is supplied to the anode electrode ELa side, On the other hand, the cathode electrode ELc side is configured such that, for example, oxygen O 2 in the atmosphere (air) is directly and constantly supplied to the outside air.

ここで、本実施形態に係る発電セル部111においては、燃料カートリッジ120(燃料封入部121)から取り出されたメタノールCHOHが改質部112により改質されて、水素ガスHのみがアノード極ELaに供給されるとともに、燃料カートリッジ120(水封入部122)から取り出された水HOが直接、又は、発電セル部111における発電動作に伴って副生成物として生成される水HOが回収されて、電解質膜LYiに供給される。発電セル部111への水素ガスH及び水HOの供給状態(供給タイミング及び供給量)は、後述する燃料供給制御部114、及び、水供給制御部115又は水回収制御部113により、適宜制御される。 Here, in the power generation cell unit 111 according to the present embodiment, methanol CH 3 OH taken out from the fuel cartridge 120 (the fuel sealing unit 121) is reformed by the reforming unit 112, and only hydrogen gas H 2 is anode. is supplied to the electrode ELa, fuel cartridge 120 (water containment section 122) water H 2 O is directly retrieved from, or water H 2 produced as a byproduct along with the electric power generation operation in the power generation cell section 111 O is recovered and supplied to the electrolyte membrane LYi. The supply state (supply timing and supply amount) of hydrogen gas H 2 and water H 2 O to the power generation cell unit 111 is determined by a fuel supply control unit 114, a water supply control unit 115, or a water recovery control unit 113, which will be described later. It is controlled appropriately.

そして、このような構成を有する燃料改質供給方式の燃料電池における発電動作に係る電気化学反応は、アノード極ELaに水素ガスHが供給されると、次の化学反応式(1)に示すように、触媒反応により電子(e)が分離して水素イオンHが発生し、電解質膜LYiを介してカソード極ELc側に通過するとともに、アノード極ELaを構成する炭素電極により電子eが取り出されて負荷LDに供給される。
2H → 4H+4e ・・・(1)
The electrochemical reaction related to the power generation operation in the fuel cell of the fuel reforming supply system having such a configuration is represented by the following chemical reaction formula (1) when hydrogen gas H 2 is supplied to the anode ELa. As described above, the electrons (e ) are separated by the catalytic reaction to generate hydrogen ions H +, which pass through the electrolyte membrane LYi to the cathode electrode ELc side, and the electrons e by the carbon electrode constituting the anode electrode ELa. Is taken out and supplied to the load LD.
2H 2 → 4H + + 4e (1)

一方、カソード極ELcに空気(酸素O)が供給されることにより、次の化学反応式(2)に示すように、触媒により負荷LDを経由した電子eと電解質膜LYiを通過した水素イオンHと空気中の酸素Oが反応して、副生成物として水(HO)が生成される。
4H+O+4e → 2HO ・・・(2)
On the other hand, when air (oxygen O 2 ) is supplied to the cathode electrode ELc, as shown in the following chemical reaction formula (2), the electrons e that have passed through the load LD and the hydrogen that has passed through the electrolyte membrane LYi by the catalyst. The ions H + and oxygen O 2 in the air react to produce water (H 2 O) as a by-product.
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (2)

ここで、上述した一連の電気化学反応((1)式及び(2)式)は、概ね60〜80℃の比較的低温の温度条件で進行し、電気エネルギー(電力)以外の副生成物は基本的に水HOのみとなる。なお、このような電気化学反応により取り出される電気エネルギーは、発電セル部111のアノード極ELaに供給される水素ガスHの量に依存する。 Here, the series of electrochemical reactions described above (formulas (1) and (2)) proceed under relatively low temperature conditions of approximately 60 to 80 ° C., and by-products other than electrical energy (electric power) are Basically water H 2 O only. Note that the electrical energy extracted by such an electrochemical reaction depends on the amount of hydrogen gas H 2 supplied to the anode electrode ELa of the power generation cell unit 111.

なお、上述した発電動作において、電解質膜LYiにおける水素イオンHの伝導(通過)には、水HO(水分)が介在して、Hイオンが生成される必要があり、上記電気化学反応を促進して発電効率を高めるためには、電解質膜LYi付近の雰囲気を水蒸気飽和状態(湿潤状態)にする必要があることが知られている。 In the power generation operation described above, it is necessary that H 3 O + ions be generated by the water H 2 O (moisture) intervening in the conduction (passage) of hydrogen ions H + in the electrolyte membrane LYi. In order to promote the electrochemical reaction and increase the power generation efficiency, it is known that the atmosphere in the vicinity of the electrolyte membrane LYi needs to be in a steam saturated state (wet state).

そこで、本実施形態においては、発電セル部111(電解質膜LYi)への水の供給方法として、システム起動時(発電動作開始時及び開始直後)においては、水供給制御部115により燃料カートリッジ120の水封入部122に封入された水HOが直接供給されて、電解質膜LYiが所定の湿潤状態(水蒸気飽和状態)に保持されるように制御され、発電セル部111における発電動作が定常状態に移行した後においては、水回収制御部113により発電セル部111における発電動作に伴って生成され、回収された水HOが供給されて、電解質膜LYiが所定の湿潤状態(水蒸気飽和状態)に保持されるように制御される。 Therefore, in the present embodiment, as a method for supplying water to the power generation cell unit 111 (electrolyte membrane LYi), the water supply control unit 115 causes the fuel cartridge 120 to be supplied when the system is started (at the start of power generation and immediately after the start). Water H 2 O sealed in the water sealing part 122 is directly supplied, and the electrolyte membrane LYi is controlled to be maintained in a predetermined wet state (water vapor saturation state), and the power generation operation in the power generation cell unit 111 is in a steady state. After the transition to, the water recovery control unit 113 is supplied with the power generation operation in the power generation cell unit 111 and the recovered water H 2 O is supplied, so that the electrolyte membrane LYi is in a predetermined wet state (water vapor saturation state). ).

(改質部112)
図14は、本実施形態に係る電源システムに適用される改質部の一構成例を示す概念図であり、図15は、本実施形態に係る電源システムに適用される改質部おける化学反応の一例を示す概念図である。また、図16は、本実施形態に係る電源システムの改質部に、本発明に係る化学反応装置を適用した場合の一構成例を示す概略図である。
(Reformer 112)
FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating a configuration example of a reforming unit applied to the power supply system according to the present embodiment. FIG. 15 illustrates a chemical reaction in the reforming unit applied to the power supply system according to the present embodiment. It is a conceptual diagram which shows an example. FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration example when the chemical reaction device according to the present invention is applied to the reforming unit of the power supply system according to the present embodiment.

本実施形態に係る電源システムに適用される改質部112は、図14に示すように、燃料カートリッジ120から供給されたメタノールCHOH及び少量の水HOを加熱して気化させる燃料気化器(蒸発器)112aと、気化されたメタノール(メタノールガス)及び水(水蒸気)から所定の触媒反応により、水素ガスHを生成する燃料改質器112bと、燃料改質器112bにおいて、水素ガスHの生成の際に副生成物として生成される一酸化炭素COと水HO及び酸素Oから所定の触媒反応により、水素ガスHと二酸化炭素COを生成するCO除去器112cと、少なくとも燃料気化器112a及び燃料改質器112b、CO除去器112cにおける化学反応を促進するための温度条件を制御する薄膜ヒータHa、Hb、Hc及び燃焼器112dと、を備えて構成されている。 As shown in FIG. 14, the reforming unit 112 applied to the power supply system according to the present embodiment heats and vaporizes methanol CH 3 OH and a small amount of water H 2 O supplied from the fuel cartridge 120. vessels and (evaporator) 112a, a predetermined catalytic reaction from the vaporized methanol (methanol gas) and water (water vapor), and the fuel reformer 112b for generating hydrogen gas H 2, in the fuel reformer 112b, hydrogen CO remover that generates hydrogen gas H 2 and carbon dioxide CO 2 by a predetermined catalytic reaction from carbon monoxide CO generated as a by-product during generation of gas H 2 , water H 2 O, and oxygen O 2 112c, and a thin film heater H for controlling temperature conditions for promoting a chemical reaction in at least the fuel vaporizer 112a, the fuel reformer 112b, and the CO remover 112c It is configured to include Hb, and Hc, and a combustor 112d, a.

ここで、薄膜ヒータHa、Hbは、改質初期には、図示を省略した電源(例えば、蓄電池等の補助電源)からの電力により発熱し、改質された水素が供給されることによって発電セル部111が発電してからは、発電セル部111において生成された電気エネルギー(電力)を電源として切り換えて発熱することで発熱温度が制御される。また、燃料器112dは、燃料カートリッジ120から供給されたメタノールCHOHを気化する燃料気化機能(例えば、概ね90℃程度の温度条件でメタノールを気化する機能)を備え、気化したメタノールガスと大気中に含まれる酸素Oとの酸化反応(燃焼反応)により、あるいは、発電セル部111のアノード電極ELa側において上記(1)式に示した化学反応に寄与することなく残留した未反応の水素ガスHと大気中に含まれる酸素Oとの酸化反応(燃焼反応)により発熱温度が制御される。なお、燃焼器112dにおける発熱は、上述したメタノールガス又は水素ガスのいずれか一方のみの燃焼によるものであってもよいし、双方を併用するものであってもよいし、上記燃料気化器112a及び燃料改質器112b、CO除去器112cの各反応部に対して個別の反応室で酸化反応させて、個別に発熱温度を制御するものであってもよい。 Here, the thin film heaters Ha and Hb generate heat by power from a power source (not shown) (for example, an auxiliary power source such as a storage battery) in the initial stage of reforming, and the reformed hydrogen is supplied to generate the power generation cell. After the unit 111 generates power, the heat generation temperature is controlled by switching the electric energy (electric power) generated in the power generation cell unit 111 as a power source to generate heat. Further, the fuel unit 112d has a fuel vaporization function (for example, a function of vaporizing methanol under a temperature condition of about 90 ° C.) for vaporizing methanol CH 3 OH supplied from the fuel cartridge 120, and the vaporized methanol gas and the atmosphere Unreacted hydrogen remaining by oxidation reaction (combustion reaction) with oxygen O 2 contained therein or on the anode electrode ELa side of the power generation cell unit 111 without contributing to the chemical reaction shown in the above formula (1) The exothermic temperature is controlled by an oxidation reaction (combustion reaction) between the gas H 2 and oxygen O 2 contained in the atmosphere. The heat generation in the combustor 112d may be due to combustion of only one of the above-described methanol gas or hydrogen gas, or may be a combination of both, or the fuel vaporizer 112a and The reaction temperature of the fuel reformer 112b and the CO remover 112c may be individually controlled in an individual reaction chamber to individually control the heat generation temperature.

このような温度制御機構に加えて、改質された水素が供給されることによって発電セル部111が発電してからは、発電セル部111で発電に利用されなかった残存した水素及び外部から取り込んだ空気中の酸素を燃焼器112dに供給することにより燃焼器112d内で水素の燃焼反応を引き起こして高い熱量の発熱をもたらす。したがって、発電以降は、燃焼器112dが改質部112の主たる熱源となって、薄膜ヒータにHa、Hbにより補助的に加熱して温度条件の細かな調整(微調整)が行われることになり、比較的少ない電気エネルギー(電力)で所望の温度条件(後述する数百℃程度の温度条件)を実現することができ、生成された電気エネルギーの消費を抑制することができる。   In addition to such a temperature control mechanism, after the power generation cell unit 111 generates power by supplying reformed hydrogen, the remaining hydrogen that has not been used for power generation in the power generation cell unit 111 and the outside are taken in from the outside. By supplying oxygen in the air to the combustor 112d, a combustion reaction of hydrogen is caused in the combustor 112d to generate a high calorific value. Therefore, after power generation, the combustor 112d becomes the main heat source of the reforming unit 112, and the thin film heater is supplementarily heated by Ha and Hb to perform fine adjustment (fine adjustment) of the temperature condition. In addition, desired temperature conditions (temperature conditions of about several hundred degrees C. described later) can be realized with relatively little electric energy (electric power), and consumption of generated electric energy can be suppressed.

そして、このような構成を有する改質部112において、燃料改質器112bにおける触媒反応は、吸熱水蒸気改質反応により実現され、また、CO除去器112cにおける触媒反応は、発熱水性シフト反応及び発熱選択酸化反応により実現される。
具体的には、改質部112において、例えば、メタノールCHOH及び水HOから、水素ガスHを生成する場合にあっては、図15(a)に示すように、まず、燃料気化器112aにおける蒸発過程において、上述した薄膜ヒータHa及び燃焼器112dを制御して、メタノールCHOH及び水HOの沸点程度の温度条件にあわせて燃料気化器112aの加熱温度(例えば、概ね120℃程度)に設定することにより、燃料カートリッジ120から供給されたメタノールCHOH及び水HOを個別に加熱して、もしくは、混合液体を一括して加熱して気化する。
In the reforming section 112 having such a configuration, the catalytic reaction in the fuel reformer 112b is realized by an endothermic steam reforming reaction, and the catalytic reaction in the CO remover 112c is an exothermic water shift reaction and an exothermic reaction. Realized by selective oxidation reaction.
Specifically, in the case of generating hydrogen gas H 2 from, for example, methanol CH 3 OH and water H 2 O in the reforming unit 112, first, as shown in FIG. In the evaporation process in the vaporizer 112a, the above-described thin film heater Ha and the combustor 112d are controlled so that the heating temperature of the fuel vaporizer 112a (for example, the temperature of the boiling point of methanol CH 3 OH and water H 2 O) (for example, By setting the temperature to about 120 ° C., the methanol CH 3 OH and water H 2 O supplied from the fuel cartridge 120 are individually heated, or the mixed liquid is heated at once to be vaporized.

次いで、燃料改質器112bにおける水蒸気改質反応過程において、薄膜ヒータHb及び燃焼器112dを制御して、概ね280℃程度の温度条件に設定することにより、次の化学反応式(3)に示すように、水素Hと微量の二酸化炭素COを生成する。なお、この水蒸気改質反応においては、水素Hと二酸化炭素CO以外に副生成物として微量の一酸化炭素COが生成される。
CHOH+HO → 3H+CO ・・・(3)
Next, in the steam reforming reaction process in the fuel reformer 112b, the thin film heater Hb and the combustor 112d are controlled to be set to a temperature condition of about 280 ° C., so that the following chemical reaction formula (3) is shown. Thus, hydrogen H 2 and a small amount of carbon dioxide CO 2 are generated. In this steam reforming reaction, a small amount of carbon monoxide CO is generated as a by-product in addition to hydrogen H 2 and carbon dioxide CO 2 .
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (3)

したがって、このような有害な副生成物を除去するため、図15(b)に示すように、CO除去器112cにおいて、薄膜ヒータHc及び燃焼器112dを制御して、概ね180℃程度の温度条件に設定することにより、次の化学反応式(4)に示すように、一酸化炭素に対して水HO(水蒸気)を反応させて、二酸化炭素COと水素Hを生成する水性シフト反応過程、及び、該水性シフト反応において二酸化炭素と水素に変換されなかった一酸化炭素COに対して、大気中の酸素Oを反応させて、二酸化炭素COを生成する選択酸化反応過程が実行される。
CO+HO →CO+H ・・・(4)
CO+(1/2)O →CO (5)
Therefore, in order to remove such harmful by-products, as shown in FIG. 15 (b), in the CO remover 112c, the thin film heater Hc and the combustor 112d are controlled, and the temperature condition is about 180 ° C. As shown in the following chemical reaction formula (4), water H 2 O (water vapor) is reacted with carbon monoxide to generate carbon dioxide CO 2 and hydrogen H 2. reaction process, and, with respect to carbon monoxide CO which has not been converted into carbon dioxide and hydrogen in the aqueous shift reaction, by reacting the oxygen O 2 in the air, the selective oxidation reaction process to produce carbon dioxide CO 2 is Executed.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (4)
CO + (1/2) O 2 → CO 2 (5)

(燃料供給制御部114)
図12に示すように、燃料供給制御部114は、燃料カートリッジ120(燃料封入部121)と発電モジュール110との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ120に封入された発電用燃料(メタノールCHOH)を、上述した改質器112に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
(Fuel supply control unit 114)
As shown in FIG. 12, the fuel supply control unit 114 has a function as an interface for detachably connecting the fuel cartridge 120 (the fuel sealing unit 121) and the power generation module 110, and at least in the fuel cartridge 120. It has a function of controlling the timing and amount of supply of the enclosed fuel for power generation (methanol CH 3 OH) to the reformer 112 described above.

(水供給制御部115)
図12に示すように、水供給制御部115は、燃料カートリッジ120(水封入部122)と発電モジュール10との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ210に封入された水HOを、上述した改質部112及び発電セル部111に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
(Water supply control unit 115)
As shown in FIG. 12, the water supply control unit 115 has a function as an interface for detachably connecting the fuel cartridge 120 (water sealing unit 122) and the power generation module 10, and at least in the fuel cartridge 210. It has a function of controlling the timing and supply amount of the sealed water H 2 O supplied to the reforming unit 112 and the power generation cell unit 111 described above.

なお、燃料供給制御部114及び水供給制御部115は、具体的には、例えば、燃料カートリッジ120と改質部112間、及び、燃料カートリッジ120と発電セル部111間の燃料供給経路や水供給経路に、液体ポンプや流量制御バルブ等(もしくは、これらと同等の機能を有する供給機構)を備えた構成を適用することができる。   Specifically, the fuel supply control unit 114 and the water supply control unit 115 are, for example, a fuel supply path and a water supply between the fuel cartridge 120 and the reforming unit 112 and between the fuel cartridge 120 and the power generation cell unit 111. A configuration including a liquid pump, a flow rate control valve, or the like (or a supply mechanism having a function equivalent to these) can be applied to the path.

(水回収制御部113)
図12に示すように、水回収制御部113は、発電セル部111における発電動作に係る電気化学反応において、副生成物として生成される水HOを回収して、少なくとも発電セル部111に再度供給し、電解質膜(イオン交換膜)を所定の湿潤状態に保持する。さらに、水回収制御部113により回収された水の一部は、改質部112(燃料気化器112a、CO除去器112c)に供給されて各化学反応に用いられるようにしてもよい。なお、水回収制御部113は、具体的には、液体ポンプや流量制御バルブ、流路切換バルブ等(もしくは、これらと同等の機能を有する供給機構)を備えた構成を適用することができる。
(Water recovery control unit 113)
As shown in FIG. 12, the water recovery control unit 113 recovers water H 2 O generated as a by-product in the electrochemical reaction related to the power generation operation in the power generation cell unit 111, and at least returns it to the power generation cell unit 111. Supplying again, the electrolyte membrane (ion exchange membrane) is kept in a predetermined wet state. Furthermore, some of the water recovered by the water recovery control unit 113 may be supplied to the reforming unit 112 (fuel vaporizer 112a, CO remover 112c) and used for each chemical reaction. Specifically, the water recovery control unit 113 can be configured to include a liquid pump, a flow rate control valve, a flow path switching valve, or the like (or a supply mechanism having the same function as these).

(燃料カートリッジ120)
図12に示すように、燃料カートリッジ120は、発電用燃料であるメタノールCHOHが封入されたパッケージからなる燃料封入部121と、所定量の水HOが封入されたパッケージからなる水封入部122とからなり、例えば、これらが一体化されて、発電モジュールに対して、着脱可能に構成されている。
(Fuel cartridge 120)
As shown in FIG. 12, the fuel cartridge 120 includes a fuel sealing portion 121 made of a package in which methanol CH 3 OH, which is a power generation fuel, is sealed, and a water sealing made of a package in which a predetermined amount of water H 2 O is sealed. For example, these are integrated and configured to be detachable from the power generation module.

なお、本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、発電用燃料がなくなり、発電モジュール110から取り外された燃料カートリッジ120は、所定のリサイクルルートを介して回収されて、適正に処分されることが望ましいが、回収されることなく廃棄された場合であっても、有害物質(例えば、有機塩素化合物や重金属等)の発生等、環境に影響を与えることのない、又は、その影響の少ない材質より形成されていることが望ましい。   In the fuel cell system according to the present embodiment, it is desirable that the fuel for power generation runs out and the fuel cartridge 120 removed from the power generation module 110 is recovered through a predetermined recycling route and properly disposed. Even if it is discarded without being collected, it is formed from a material that does not affect the environment, such as the generation of harmful substances (for example, chlorinated organic compounds, heavy metals, etc.) or has little effect on the environment. It is desirable that

また、本実施形態に係る燃料電池システムに用いられる発電用燃料としては、少なくとも、上述した燃料電池からなる発電セル部において、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、かつ、発電用燃料が封入された上記燃料カートリッジが使用後、自然界に投棄又は埋め立て処分されて、残存する発電用燃料が大気中や土壌中、水中に漏れ出し、あるいは、焼却処分されて大気中に排出された場合等であっても、自然環境に対して汚染物質とならない燃料であることが望ましく、具体的には、上記メタノールのほか、エタノール、ブタノール(アルコール類)等の炭化水素系の液体燃料を良好に適用することができる。   In addition, as a power generation fuel used in the fuel cell system according to the present embodiment, at least in the power generation cell unit composed of the fuel cell described above, electrical energy can be generated with high energy conversion efficiency, and power generation After the fuel cartridge containing the fuel was used, it was dumped or landfilled in nature, and the remaining power generation fuel leaked into the atmosphere, soil, or water, or was incinerated and discharged into the atmosphere. Even if it is a case, it is desirable that the fuel does not become a pollutant to the natural environment. Specifically, in addition to the above methanol, hydrocarbon liquid fuels such as ethanol and butanol (alcohols) are good. Can be applied to.

そして、このような構成を有する電源システムにおいて、上記改質部112の燃料気化器112a、燃料改質器112b、CO除去器112c及び燃焼器112dの各々について、上述した本発明に係る化学反応装置(反応部)を適用し、これらを相互に積層形成した構成を良好に適用することができる。   In the power supply system having such a configuration, each of the fuel vaporizer 112a, the fuel reformer 112b, the CO remover 112c, and the combustor 112d of the reforming unit 112 has the above-described chemical reaction device according to the present invention. It is possible to satisfactorily apply a structure in which the (reaction part) is applied and these are laminated together.

すなわち、図16に示すように、例えば、上述した燃料気化器112aは、一面側に反応流路が形成された主基板(ガラス基板)SBaと、一面側に発熱抵抗体からなる薄膜ヒータHaが形成された副基板(ガラス基板)CLaと、主基板SBaの他面側に設けられ且つ非晶質のタンタルシリコンが陽極接合により副基板CLaの他面側の酸素原子と結合された接合膜MLaと、を備えた化学反応装置(マイクロリアクタ)の構成を適用することができる。   That is, as shown in FIG. 16, for example, the fuel vaporizer 112a described above includes a main substrate (glass substrate) SBa having a reaction channel formed on one surface side, and a thin film heater Ha made of a heating resistor on one surface side. The formed sub-substrate (glass substrate) CLa and a bonding film MLa provided on the other surface side of the main substrate SBa and in which amorphous tantalum silicon is bonded to oxygen atoms on the other surface side of the sub-substrate CLa by anodic bonding. The configuration of a chemical reaction device (microreactor) including the above can be applied.

また、上述した燃料改質器112bについても、一面側に反応流路が形成された主基板(ガラス基板)SBbと、一面側に接合膜MLaと同様の接合膜MLbが形成された副基板(ガラス基板)CLbとを陽極接合により接合した化学反応装置(マイクロリアクタ)の構成を適用することができる。なお、薄膜抵抗体からなる薄膜ヒータHbは、燃料改質器112bに伝達される熱エネルギーを調整制御するために、例えば、燃料改質器112bに密着して積層形成される燃焼器112dの副基板(ガラス基板)CLdの他面側に形成されている。   Also for the fuel reformer 112b described above, a main substrate (glass substrate) SBb having a reaction channel formed on one surface side and a sub-substrate having a bonding film MLb similar to the bonding film MLa formed on one surface side ( A configuration of a chemical reaction apparatus (microreactor) in which glass substrate (CLb) is bonded by anodic bonding can be applied. The thin film heater Hb made of a thin film resistor is, for example, a sub-combustor of the combustor 112d formed in close contact with the fuel reformer 112b in order to adjust and control the thermal energy transmitted to the fuel reformer 112b. It is formed on the other surface side of the substrate (glass substrate) CLd.

また、上述したCO除去器112cについても、一面側に反応流路が形成された主基板(ガラス基板)SBcと、一面側に接合膜MLaと同様の接合膜MLcが形成されるとともに、他面側に薄膜抵抗体からなる薄膜ヒータHcが形成された副基板(ガラス基板)CLcとを陽極接合により接合した化学反応装置(マイクロリアクタ)の構成を適用することができる。   In addition, with respect to the CO remover 112c described above, a main substrate (glass substrate) SBc having a reaction channel formed on one surface side, and a bonding film MLc similar to the bonding film MLa is formed on one surface side, and the other surface A configuration of a chemical reaction device (microreactor) in which a sub-substrate (glass substrate) CLc on which a thin-film heater Hc made of a thin-film resistor is formed is bonded by anodic bonding can be applied.

さらに、上述した燃焼器112dは、一面側に反応流路が形成された主基板(ガラス基板)SBdと、一面側に接合膜MLaと同様の接合膜MLdが形成されるとともに、他面側に燃料改質器112b用の薄膜ヒータHbが形成された副基板(ガラス基板)CLcとを陽極接合により接合した化学反応装置(マイクロリアクタ)の構成を適用することができる。なお、燃焼器112dに備えられる燃料気化機能(図中、便宜的に「112e」で表記する)についても、上述した燃料気化器112aと同様に、一面側に反応流路が形成された主基板(ガラス基板)SBeと、一面側に接合膜MLaと同様の接合膜MLeが形成されるとともに、他面側に発熱抵抗体からなる薄膜ヒータHeが形成された副基板(ガラス基板)CLeとを陽極接合により接合した化学反応装置(マイクロリアクタ)の構成を適用することができる。   Further, in the above-described combustor 112d, a main substrate (glass substrate) SBd having a reaction channel formed on one surface side, a bonding film MLd similar to the bonding film MLa is formed on one surface side, and on the other surface side. A configuration of a chemical reaction device (microreactor) in which a sub-substrate (glass substrate) CLc on which a thin film heater Hb for the fuel reformer 112b is formed is bonded by anodic bonding can be applied. As for the fuel vaporization function provided in the combustor 112d (denoted by “112e” in the drawing for the sake of convenience), as with the fuel vaporizer 112a described above, a main substrate having a reaction channel formed on one surface side (Glass substrate) SBe and a sub-substrate (glass substrate) CLe on which one side of a bonding film MLe similar to the bonding film MLa is formed and a thin film heater He made of a heating resistor is formed on the other side A configuration of a chemical reaction apparatus (microreactor) bonded by anodic bonding can be applied.

そして、これらの改質部112の各構成は、薄膜ヒータHa、Hb、Hcや燃焼器112dから放出される熱エネルギーの伝達状態を考慮して、燃焼器112d、燃料改質器112b、CO除去器112c、燃料気化器112a及び燃料気化機能112eの順で積層形成されている。ここで、各構成間の接合についても陽極接合の手法を良好に適用することができる。なお、図16においては、各化学反応装置における流体物質の導入部及び排出部の構成について、図示を省略したが、例えば、上述した図14、図15に示した一連の化学反応に対応するように、各層間で連通する流路を備えた構成を良好に適用することができる。   And each structure of these reforming parts 112 considers the transmission state of the thermal energy emitted from thin film heaters Ha, Hb, Hc and combustor 112d, combustor 112d, fuel reformer 112b, CO removal 112c, a fuel vaporizer 112a, and a fuel vaporization function 112e are stacked in this order. Here, the technique of anodic bonding can be favorably applied to the bonding between the components. In FIG. 16, illustration of the configuration of the fluid substance introduction section and the discharge section in each chemical reaction apparatus is omitted, but for example, it corresponds to the series of chemical reactions shown in FIGS. 14 and 15 described above. In addition, it is possible to satisfactorily apply a configuration including a flow path communicating between the layers.

これにより、電源システム100における改質部112を構成する各化学反応装置の基板相互、及び、該化学反応装置相互を良好に接合することができるので、基板の剥離や損傷、流体物質の漏洩等を生じることなく、所望の化学反応により、メタノール等の炭化水素系の発電用燃料から水素ガスを生成して発電セル部に良好に供給することができ、信頼性の高い電源システムを実現することができる。   Thus, the substrates of the chemical reaction devices constituting the reforming unit 112 in the power supply system 100 and the chemical reaction devices can be satisfactorily bonded to each other. A highly reliable power supply system that can generate hydrogen gas from a hydrocarbon-based power generation fuel such as methanol and supply it well to the power generation cell section through a desired chemical reaction Can do.

また、このような構成によれば、改質部112の各構成の基板の板厚を薄くして大幅に小型薄型化することができるとともに、安価な基板材料を用いて、簡易な製造プロセスで形成することができるので、例えば、ノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末等の携帯型の電子機器への当該電源システムの搭載を容易にして促進することができる。   Further, according to such a configuration, the thickness of the substrate of each component of the reforming unit 112 can be reduced and the size and thickness can be significantly reduced, and an inexpensive substrate material can be used with a simple manufacturing process. Therefore, for example, the mounting of the power supply system in a portable electronic device such as a notebook personal computer or a portable information terminal can be facilitated and promoted.

なお、本実施形態に係る電源システムにおいては、本発明に係る化学反応装置を適用した改質部により生成される所定の流体物質(水素ガス等)を用いて発電を行う、燃料改質供給方式の燃料電池を備えた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、化学反応装置(マイクロリアクタ)を用いて生成された流体物質の燃焼反応に伴う熱エネルギーによるもの(温度差発電)や、燃焼反応等に伴う圧力エネルギーを用いて発電器を回転させて電力を発生する力学的なエネルギー変換作用等によるもの(ガス燃焼タービンやロータリーエンジン、スターリングエンジン等の内燃、外燃機関発電)、また、発電用燃料FLの流体エネルギーや熱エネルギーを電磁誘導の原理等を利用して電力に変換するもの(電磁流体力学発電、熱音響効果発電等)等、種々の形態を有する電源システムに適用することができる。   In the power supply system according to the present embodiment, a fuel reforming supply system that generates power using a predetermined fluid substance (hydrogen gas or the like) generated by a reforming unit to which the chemical reaction apparatus according to the present invention is applied. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this, and is based on thermal energy (temperature difference associated with the combustion reaction of a fluid substance generated using a chemical reaction device (microreactor)). Power generation), or by mechanical energy conversion that generates electric power by rotating the generator using pressure energy associated with combustion reaction, etc. (internal combustion engines such as gas combustion turbines, rotary engines, Stirling engines, external combustion engines) Power generation), which converts fluid energy and thermal energy of power generation fuel FL into electric power using the principle of electromagnetic induction, etc. Can be applied thermoacoustic effect power generation, etc.) or the like, a power supply system having a variety of forms.

本発明に係る化学反応装置及びその製造プロセスの一実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows one Embodiment of the chemical reaction apparatus which concerns on this invention, and its manufacturing process. 本実施形態に係る化学反応装置に適用される反応流路の平面パターン(流路形状)の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the plane pattern (flow path shape) of the reaction flow path applied to the chemical reaction apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る非晶質合金膜に適用可能な金属材料(金属性材料)の特性を検証するために用いたモデル構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the model structure used in order to verify the characteristic of the metal material (metallic material) applicable to the amorphous alloy film which concerns on this embodiment. タンタルを非晶質合金膜に適用した場合の成膜直後の組成比率を示す図である。It is a figure which shows the composition ratio immediately after film-forming at the time of applying a tantalum to an amorphous alloy film. タンタルを非晶質合金膜に適用した場合の所定の熱処理後の組成比率を示す図である。It is a figure which shows the composition ratio after the predetermined heat processing at the time of applying a tantalum to an amorphous alloy film. 基板上に形成したタンタル膜の結晶性を検証のためのX線回折測定の結果を示すデータである。It is data which shows the result of the X-ray-diffraction measurement for verification of the crystallinity of the tantalum film | membrane formed on the board | substrate. タンタルシリコンを非晶質合金膜に適用した場合の成膜直後の組成比率を示す図である。It is a figure which shows the composition ratio immediately after film-forming when tantalum silicon is applied to an amorphous alloy film. タンタルシリコンを非晶質合金膜に適用した場合の所定の熱処理後の組成比率を示す図である。It is a figure which shows the composition ratio after the predetermined heat processing at the time of applying a tantalum silicon to an amorphous alloy film. 基板上に形成したタンタルシリコン膜の結晶性を検証のためのX線回折測定の結果を示すデータである。It is data which shows the result of the X-ray-diffraction measurement for verification of the crystallinity of the tantalum silicon film formed on the board | substrate. シリコン基板のX線回折測定の結果を示すデータである。It is data which shows the result of the X-ray-diffraction measurement of a silicon substrate. 本実施形態に係る非晶質合金膜に適用されるタンタルシリコンと、その比較対象としたタンタルにおけるストレス特性を示す実験結果である。It is an experimental result which shows the stress characteristic in the tantalum silicon applied to the amorphous alloy film which concerns on this embodiment, and the tantalum used as the comparison object. 本発明に係る化学反応装置を適用可能な電源システム(燃料電池システム)の一実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram showing an overall configuration of an embodiment of a power supply system (fuel cell system) to which a chemical reaction device according to the present invention can be applied. 本実施形態に係る電源システムに適用可能な固体高分子型の燃料電池を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the polymer electrolyte fuel cell applicable to the power supply system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る電源システムに適用される改質部の一構成例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the example of 1 structure of the modification | reformation part applied to the power supply system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る電源システムに適用される改質部おける化学反応の一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of the chemical reaction in the modification | reformation part applied to the power supply system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る電源システムの改質部に、本発明に係る化学反応装置を適用した場合の一構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows one structural example at the time of applying the chemical reaction apparatus which concerns on this invention to the modification | reformation part of the power supply system which concerns on this embodiment. 従来技術におけるマイクロリアクタの基本構造を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the basic structure of the microreactor in a prior art. 従来技術におけるマイクロリアクタの製造プロセスに適用される陽極接合法を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the anodic bonding method applied to the manufacturing process of the microreactor in a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

10 主基板
11 反応流路
12 触媒層
20 副基板
21 接合膜
30、Ha、Hb、Hc 薄膜ヒータ
100 電源システム
111 発電セル部
112 改質部
112a 燃料気化器
112b 燃料改質器
112c CO除去器
112d 燃焼器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Main board | substrate 11 Reaction flow path 12 Catalyst layer 20 Subboard | substrate 21 Bonding film 30, Ha, Hb, Hc Thin film heater 100 Power supply system 111 Power generation cell part 112 Reformer part 112a Fuel vaporizer 112b Fuel reformer 112c CO remover 112d Combustor

Claims (11)

所定の反応流路内で化学反応を生じる化学反応装置において、
少なくとも、
一面側に溝状の前記反応流路が形成された第1の基板と、
前記第1の基板に対向して設けられ、前記反応流路の開放端を閉止する第2の基板と、
前記第1の基板及び前記第2の基板との間に介在し、前記第1の基板及び前記第2の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合しているアモルファス質の接合膜と、
を有することを特徴とする化学反応装置。
In a chemical reaction device that generates a chemical reaction in a predetermined reaction channel,
at least,
A first substrate having a groove-like reaction channel formed on one side thereof;
A second substrate provided opposite to the first substrate and closing an open end of the reaction channel;
An amorphous bonding film interposed between the first substrate and the second substrate and bonded to an oxygen atom contained in one of the first substrate and the second substrate;
A chemical reaction apparatus comprising:
前記接合膜は、前記第1の基板及び前記第2の基板のいずれか一方側の前記基板に対してスパッタ法により薄膜形成されるとともに、他方側の前記基板に対して陽極接合により接合されていることを特徴とする請求項1記載の化学反応装置。 The bonding film is formed into a thin film by sputtering on the substrate on one side of the first substrate and the second substrate, and is bonded to the substrate on the other side by anodic bonding. The chemical reaction apparatus according to claim 1, wherein: 前記接合膜は、タンタルとシリコンとが固溶していることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の化学反応装置。 The chemical reaction apparatus according to claim 1, wherein the bonding film is a solution of tantalum and silicon. 前記接合膜は、タンタル0.7に対し、シリコン0.3の組成比率に設定されていることを特徴とする請求項3記載の化学反応装置。 4. The chemical reaction apparatus according to claim 3, wherein the bonding film is set to a composition ratio of silicon 0.3 with respect to tantalum 0.7. 前記化学反応装置は、前記反応流路の内壁面に所定の触媒物質が付着形成された構成を有し、
前記化学反応は、該触媒物質による触媒反応により、第1の流体物質を第2の流体物質に変換することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の化学反応装置。
The chemical reaction device has a configuration in which a predetermined catalyst substance is attached and formed on the inner wall surface of the reaction flow path,
5. The chemical reaction device according to claim 1, wherein the chemical reaction converts a first fluid substance into a second fluid substance by a catalytic reaction with the catalyst substance. 6.
所定の反応流路内で第1の流体物質を第2の流体物質に変換する化学反応を生じる化学反応装置を備え、該化学反応装置により生成された前記第2の流体物質を用いて電気エネルギーを生成する電源システムであって、
前記化学反応装置は、少なくとも、
一面側に溝状の前記反応流路が形成されたガラス基板からなる第1の基板と、
前記第1の基板に対向して設けられ、前記反応流路の開放端を閉止するガラス基板からなる第2の基板と、
前記第1の基板及び前記第2の基板との間に介在し、前記第1の基板及び前記第2の基板のいずれか一方に含まれる酸素原子と結合しているアモルファス質の接合膜と、
からなる反応部を備えていることを特徴とする電源システム。
A chemical reaction device for generating a chemical reaction for converting a first fluid substance into a second fluid substance in a predetermined reaction channel is provided, and electric energy is generated using the second fluid substance generated by the chemical reaction device. A power system that generates
The chemical reaction apparatus includes at least
A first substrate made of a glass substrate having a groove-like reaction channel formed on one side thereof;
A second substrate comprising a glass substrate provided opposite to the first substrate and closing an open end of the reaction channel;
An amorphous bonding film interposed between the first substrate and the second substrate and bonded to an oxygen atom contained in one of the first substrate and the second substrate;
A power supply system comprising a reaction unit consisting of:
前記接合膜は、前記第1の基板及び前記第2の基板のいずれか一方にスパッタ法により薄膜形成される接合用金属膜を、陽極接合により前記第1の基板及び前記第2の基板の他方の酸素原子と結合して、前記第1の基板及び前記第2の基板が接合されていることを特徴とする請求項6記載の電源システム。 The bonding film is a bonding metal film formed by sputtering on one of the first substrate and the second substrate, and the other of the first substrate and the second substrate by anodic bonding. The power supply system according to claim 6, wherein the first substrate and the second substrate are bonded to each other in combination with oxygen atoms. 前記接合膜は、タンタルとシリコンの化合物からなることを特徴とする請求項6又は7記載の電源システム。 8. The power supply system according to claim 6, wherein the bonding film is made of a compound of tantalum and silicon. 前記接合膜は、タンタル0.7に対し、シリコン0.3の組成比率に設定されていることを特徴とする請求項8記載の電源システム。 9. The power supply system according to claim 8, wherein the bonding film is set to a composition ratio of silicon 0.3 with respect to tantalum 0.7. 前記化学反応装置は、前記反応流路の内壁面に所定の触媒物質が付着形成された構成を有するとともに、前記反応流路に対応する領域に温度調整層が形成された構成を有していることを特徴とする請求項6乃至9のいずれかに記載の電源システム。 The chemical reaction apparatus has a configuration in which a predetermined catalytic substance is attached and formed on the inner wall surface of the reaction flow path, and a temperature adjustment layer is formed in a region corresponding to the reaction flow path. The power supply system according to any one of claims 6 to 9. 前記化学反応装置は、前記反応部が複数積層形成された構成を有し、各反応部において、各々異なる前記化学反応を生じることを特徴とする請求項6乃至10のいずれかに記載の電源システム。 The power supply system according to any one of claims 6 to 10, wherein the chemical reaction device has a configuration in which a plurality of the reaction units are stacked and each of the reaction units generates a different chemical reaction. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014037958A (en) * 2012-07-17 2014-02-27 Toshiba Corp Oxygen reduction device

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