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JP4587016B2 - 反応装置とその製造方法、改質装置、電源供給システム - Google Patents

反応装置とその製造方法、改質装置、電源供給システム Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細加工技術を用いて製造される反応装置や、該反応装置を用いた改質装置及び電源供給システムにおいて、熱源からの熱を有効に利用して反応を行うための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、二次電池等と比べて長寿命であることや、エネルギー密度が高いこと等の理由から、携帯型電子機器等への利用が期待されている。小型の燃料電池としては、水素を水素吸蔵材料等に貯蔵して燃料とする方式や、メタノール溶液を燃料として利用し、セルで直接反応させて出力を得るダイレクトメタノール方式等が広く採用されている。さらに近年、メタノール等の炭化水素系燃料を改質器に通して水素を生成し、これをセルで酸素と反応させることにより電気エネルギーを得る、改質型の小型燃料電池の検討も行われている。
【０００３】
ところで、半導体プロセス等を応用してシリコンウェハ上に「マイクロ・リアクタ」と称される化学反応用装置を形成し、触媒を用いた化学反応により、高い変換効率をもって水素を生成することが可能であり、改質器の小型化に適している。
【０００４】
このような改質器としては、例えば、片持ち構造をしたチューブ形の反応装置が知られている（特許文献１参照）。この反応装置では、薄い窒化シリコンのチューブを用いて、２つの、分離されたＵ字状の流路が形成されており、それらの端部（自由端の部分）がシリコンで覆われた反応ゾーンとされ、チューブ間には熱交換用の多数のシリコンスラブ（Slab）が架け渡された構成をもっている。
【０００５】
【特許文献１】
国際公開第０３／０１３７２９号パンフレット
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置にあっては、各流路を連結する熱交換部の温度分布やデバイスの構造に関して下記に示すような問題がある。
【０００７】
例えば、反応部内において均等な温度分布が得られないと熱効率の低下を招く虞があるので、温度の高い場所や温度の低い場所等が局部的に生じないようにする必要があり、これに伴って、例えば、熱交換部の構造が複雑化したり、構成部品数や製造工程数が増加する。よって、小型化や薄型化、効率の向上に支障を来し、製造工程数の増加等がコストの低減を阻む原因となる。
【０００８】
また、反応部における不均一な温度分布は副反応を誘発するといった不具合を招く虞があり、反応の高効率化を妨げる原因となる。
【０００９】
さらに、燃焼用燃料の廃熱が有効に改質用燃料の加熱に利用されないと、流体の流出（排気）に伴う熱の損失が大きくなり、装置としての効率を低下させる原因となる。
【００１０】
そこで、本発明は、熱を有効に利用して反応を行うことができ、小型化や薄型化に適した反応装置の提供を課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る反応装置、改質装置、電源供給システムは、対をなす流路が互いに近接して並行に延びる配置をもって基板上に形成されるとともに、両流路間で熱交換を行う熱交換手段を備え、上記各流路及び上記熱交換手段を含む構造体が、断熱用空間内に収容された構成を有するものである。
【００１２】
従って、これらの発明によれば、対をなす流路を接近させた状態で並行に延びる配置を採用し、所定領域（例えば、断熱用空間内の限定領域）で熱交換手段を介して流路間で熱伝達を行うことにより、熱交換の高効率化や反応部における温度分布の均一化を実現できる。また、流路同士をただ熱的に接触させた構造に比べて、熱交換手段の介在によって熱的な接触面積を充分に確保することが可能であり、しかも熱交換手段について構造の複雑化等を伴うことがない。
【００１３】
また、本発明に係る反応装置の製造方法は、互いに近接して並行に配置される、対をなす流路を基板上に形成する工程及び両流路間で熱交換を行うための熱交換手段を別の基板に形成する工程と、両基板を接合する工程を有する。
【００１４】
従って、この発明によれば、流路と熱交換手段を各別の基板に形成して両基板を接合することにより、構成の簡単化及び製造工程数の低減が可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、流路内の流体を化学的に反応させる手段を備えた反応装置や、これを用いた改質装置（例えば、燃料から水素等を改質して取り出す装置）、あるいは改質された物質を別の物質と反応させることにより発電する電源供給システム（例えば、水素と酸素を反応させて電気を得る燃料電池システム等）に関するものであり、小型化や薄型化に適した高温反応装置等への適用が可能である。尚、ここで、「電源供給システム」には、燃料電池を用いた電源装置や該装置を用いて駆動される電子機器、例えば、情報処理装置、映像機器、撮像機器、移動体通信端末装置等やロボット等が含まれる。
【００１６】
図１は、本発明に係る電源供給システムの基本構成例を示す図である。
【００１７】
電源供給システム１は、改質装置（改質器）２と発電装置３を備えている。
【００１８】
改質装置２は燃焼部２ａと改質部２ｂを有し、燃料及び空気が燃焼部２ａを通過した後、排気される。また、燃料や水が改質部２ｂに供給されて燃料が改質（水蒸気改質等）される。
【００１９】
尚、燃料には、例えば、メタノールやエタノール等のアルコール系材料や、天然ガス、プロパン、ナフサ、灯油、ブタン等の炭化水素を含む材料、アンモニアや、ケミカルハイドライド（NaAlH4、NaBH4等）のような、分解によって水素が得られる材料が挙げられる。
【００２０】
改質装置２は、対をなす流路（一対又は複数対）を有しており、ある流路が燃料の加熱用流路とされて燃焼部２ａを構成し、他の流路が反応用流路とされて改質部２ｂを構成している。そして、反応用流路を経て燃料が改質されてから発電装置３に供給される。
【００２１】
発電装置３は、反応用流路を通って改質された流体を他の材料と反応させて電気を発生させるものであり、例えば、改質部２ｂの反応用流路に設けられた触媒担体上の触媒によって改質された水素と、空気中の酸素を反応させて電気エネルギーを取り出して電力供給対象に供給する。尚、改質装置２と発電装置３の間には、必要に応じて、一酸化炭素除去装置や水素分離装置などの中間処理装置を設置することができる。
【００２２】
図２は、改質装置２の基本構成例を示す概念図である。
【００２３】
対をなす流路４ａ、４ｂについては、互いに近接して並行に延びる配置をもって基板上に形成されている。例えば、流路４ａが加熱用流路とされ、流路４ｂが反応用流路とされており、矢印を付して示すように、各流路における流体の流れの向きが互いに反対である。
【００２４】
流路４ａと４ｂの間で熱交換を行う熱交換手段（あるいは熱交換器）５は、熱を加熱用流路から反応用流路に効率良く伝達させる役目をもち、流路に沿うように配置されている。例えば、加熱用流路には熱源又は発熱手段が設けられており、その発生熱が熱交換手段５を介して反応用流路に伝達されるとともに、反応用流路に設けられた触媒担体上の触媒によって改質が行われるように構成される。
【００２５】
尚、本例では、各流路が基板上に曲路として形成されている（蛇行している）が、これは、熱交換を十分に行うために流路長を増加し、なおかつ小型化するのに有利である。また、対をなす流路が一対に限定される訳ではないので、複数対の流路を基板上に形成した形態で実施できることは勿論である。
【００２６】
上記流路４ａ、４ｂや熱交換手段５の形成法については、半導体製造プロセス等を利用した、所謂ＭＥＭＳ（Micro‐Electro‐Mechanical Systems）技術を用いることがデバイスの小型化や薄型化を実現する上で好ましい（電子デバイス技術及びマイクロマシン技術の発達は、コンパクトなデバイスの作成を可能にしている。）。例えば、流路４ａ、４ｂを構成する溝を基板にドライエッチングで形成したり、熱交換手段５として、熱伝導性材料で形成された熱交換部を基板に形成した構造や、各種のヒートパイプ構造を用いた形態等が挙げられる。
【００２７】
図３乃至図５は、改質装置２を構成する反応装置６の構造例について概略的に示したものである（基板厚等を誇張して示している。）。尚、図３は触媒担体と熱交換手段が形成された基板を示し、図４は流路を構成する溝が形成された基板を示しており、図５はこれらの基板を接合した後の断面構造を示している。
【００２８】
図３において、左上には、基板７をその表面に直交する方向からみた場合の平面図を示し、その右側にはＡ−Ａ線に沿って切断した断面図を示す。また、平面図の下方には基板７の背面（裏面）からみた図を示す。
【００２９】
基板７（シリコン基板等）において、一方の面（表面）には凹部７ａが形成されており、本例では矩形状に開口している。そして、凹部７ａには、熱伝導率の高い材料で形成された熱交換部８が形成されている。尚、熱交換部８には、例えば、矩形状をした均熱板が用いられ、後述するようにシリコン基板にボロン拡散層（ｐ++層）を形成し、その周囲のシリコンを除去して凹部７ａが形成される。
【００３０】
基板７のうち、熱交換部８が形成された方とは反対側の面（裏面）には、温度制御用素子９や、温度検出用素子１０、配線パターン１１、接続端子部１２等が形成される。
【００３１】
温度制御用素子９としてはヒータ９ａが使用され、例えば、高抵抗材料を用いた抵抗発熱体が用いられる。該ヒータは、例えば、装置の起動時に燃料を燃焼させるために通電される。また、温度検出用素子１０は、抵抗体の温度特性を利用して温度検出を行うもの（温度センサ）であり、本例では反応用流路に設置されている。そして、配線パターン１１、１１、…は、ヒータへの給電や、センサ出力の取得のために、これらと接続端子部１２、１２、…を繋いでおり、図示しない外部回路（制御回路）に接続される。尚、Ａ−Ａ断面図に示すように、これらの素子や配線パターン等については、シリコン酸化膜（５〜１０μｍ程度）等の薄膜１３上に形成されており、さらにその外表面に触媒担体１４ａ、１４ｂが形成されている。
【００３２】
触媒担体１４ａ、１４ｂは、触媒（8〜１０族の金属、例えば、ニッケル、コバルトやそれらをベースとした合金等、燃料に応じて任意に選ぶことができる。）を多孔質アルミナ等に担持させたものであり、ヒータ９ａの表面には、燃焼用触媒を担持した触媒担体１４ａが設けられている。また、温度検出用素子１０を含む領域部分の表面には、反応用触媒を担持した触媒担体１４ｂが設けられている。
【００３３】
図４は、その左上に、基板１５をその表面に直交する方向からみた場合の平面図を示し、その右側にはＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図を示す。また、平面図の下方には基板１５の背面（裏面）からみた図を示す。
【００３４】
基板１５（シリコン基板等）において、その一方の面（表面）には、対をなす２本の平行な溝１５ａ、１５ｂが形成されており、これらは上記した流路４ａ、４ｂをそれぞれ構成している。例えば、溝１５ａが加熱用流路を構成し、その両端寄りの位置には、燃料の供給孔１６ｉ及び排出孔１６ｏがそれぞれ形成されていて、供給孔１６ｉから流路に入った燃料が図の右向きの矢印で示すように流路を流れて燃焼してから、排出孔１６ｏを通って流路外に排出される。また、溝１５ｂが反応用流路を構成し、その両端寄りに位置には、改質対象となる材料（燃料）の供給孔１７ｉ及び排出孔１７ｏが形成されていて、供給孔１７ｉから流路に入った燃料が図の左向きの矢印で示すように流路を流れてから、改質後のガスが排出孔１７ｏから流路外に排出される。
【００３５】
基板１５のうち、溝１５ａ、１５ｂが形成された面とは反対側の面（裏面）には、矩形状に開口された凹部（キャビティ）１８が形成されている（例えば、シリコン基板をエッチングで部分的に除去する等）。
【００３６】
尚、本例では、理解し易いように、２本の流路を構成する溝１５ａ、１５ｂが、基板上で平行に延びた配置とされている。また、これらの溝が形成された部分はシリコン酸化膜（５〜１０μｍ程度）等の薄膜１９で形成されている。
【００３７】
基板７と基板１５を接合させた後では、図５に示すように、燃焼用流路（燃焼路）としての流路４ａと改質用流路（改質路）としての流路４ｂが形成され、両者が熱交換部８を介して熱的に接続された状態となる。
【００３８】
加熱用流路４ａ内には、上記ヒータ９ａ及び触媒担体１４ａを含む発熱手段２０が位置され、本流路に供給される燃料の燃焼が該発熱手段によって行われる。その発生熱が加熱用流路４ａから熱交換部８を介して反応用流路４ｂに伝達される。
【００３９】
そして、反応用流路４ｂ内には上記触媒担体１４ｂが配置され、熱交換部８からの熱を受けて高温環境で反応が進み、燃料改質が行われる。
【００４０】
各流路４ａ、４ｂ及び熱交換部８を含む構造体２１（図５の破線円内を参照）については、これを断熱用空間内に収容された構成とすることが好ましい。例えば、基板７の凹部７ａをカバーガラス等の封止用基板２２で覆うことで空間２３を形成し、また、基板１５の凹部１８をカバーガラス等の封止用基板２４で覆うことで空間２５を形成する。これにより、熱交換手段や流路から基板の外部に逃げる熱を抑えることができる。尚、これらの断熱用空間２３、２５は減圧状態とするか又は熱伝導率の小さい気体を充填することが、構成の複雑化を伴わずに、断熱効果を高める上で望ましい。
【００４１】
また、図６に示すように、断熱用空間を画成する壁面に、アルミニウム等で反射膜（赤外線反射膜等）２６を形成することによって、輻射熱が外部に放射されないように防止することが効果的である。
【００４２】
上記構造体２１の支持については、断熱用空間２３、２５の間に位置する支持部によりなされ、本例では薄膜１３及び１９で構成している。
【００４３】
このように、微細加工技術を用いて微小な構造を実現することが可能であり、装置サイズの小型化や薄型化の要請に応えて、熱交換の効率化を実現したい場合に有効である。
【００４４】
図７は、上記流路や熱交換手段が形成された複数の基板を接合した構成の反応装置６について例示したものであり、４枚の基板を用いた構成例を示す。
【００４５】
第一基板２２の材質については特に制限はないが、第二基板７との接合性の良い材料が望ましく、線膨張係数や熱伝導率等を考慮して選定される。例えば、第二基板にシリコンを用いた場合、シリコン、セラミックス、ガラスや、ポリイミド、ポリ四ふっ化エチレン、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）等の合成樹脂が用いられる。第一基板２２は、後述の第二基板７に接合されるが、接合方法には、陽極接合や、接着剤として樹脂材料を用いた接着接合、熱圧着等の圧着接合、レーザ溶接等の溶接接合等が挙げられる。
【００４６】
第二基板７には、例えば、シリコン等が使用されるが、これに限らず、セラミックスや樹脂材料等を用いることができる。
【００４７】
第二基板７の一方の面（表面）には、上記断熱用空間２３を形成するための凹部７ａを形成し、その底面を薄膜として残しておく。凹部７ａの加工方法としては、例えば、ＲＩＥ（ドライエッチング）、ウェットエッチング、ＵＶ（紫外）光エッチング、レーザエッチング、プロトン光エッチング、電子線描画エッチング、マイクロモールディング等が挙げられるが、プラズマエッチングや、溶液を使った異方性エッチング等が好適である。また、凹部７ａの底面をそれほど薄くする必要がない場合には、サンドブラスト等の機械的な加工方法を用いることも可能である。
【００４８】
凹部７ａの底面には、熱交換器の役割を果たす部分として均熱板２７を形成するが、これには熱伝導率の高い材料を用いる必要がある。例えば、シリコン基板を用いる場合においてボロン等の不純物イオンを拡散させることで部分的に熱伝導率を高める方法が好ましい。あるいは、熱伝導率の高い金属材料（Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ，Ａｇ、Ｐｔ等）を用いて金属膜を底面に形成したり、あるいは金属板や金属箔を接着する等の方法が挙げられる。
【００４９】
均熱板２７が凹部７ａ内に形成された第二基板７に対して、第一基板２２を接合し、該第一基板２２によって凹部７ａを覆うことで断熱用空間が形成されるが、両者を接合する場合には、真空中（減圧状態）又は熱伝導率の小さい気体中での陽極接合が好適である。陽極接合は半導体ウェハー同士、あるいはガラスと半導体ウェハーとを接合する場合に用いられ、例えば、ガラス基板とシリコン基板の面（鏡面）同士をつき合わせて、シリコン基板側に負電圧（−５００Ｖ程度）を印可し、ガラス基板側を接地（ＧＮＤ）して、所定の温度（４００乃至４５０゜Ｃ）のもとで数分間に亘って加熱する。使用するガラス材料については、パイレックスガラス（商標）等のアルカリガラスを用いるか、あるいは製造の都合上、無アルカリガラスを用いる必要がある場合には、ナトリウム等のアルカリ金属を接合部分の表面に予め蒸着した材料を使用する。
【００５０】
第二基板７の裏面（凹部７ａの反対側）には、ヒータやセンサ（図示せず）や配線パターン１１、外部接続用端子部１２等を形成してから、さらに触媒担持用の触媒担体１４ａ、１４ｂを形成する。触媒表面を十分に確保するために、多孔質層を形成する（例えば、セラミックスの焼結体等が好適である。）。第二基板７は、後述の第三基板１５に接合され、この状態で触媒担体１４ａ、１４ｂが各流路内にそれぞれ位置されることになるが、基板接合の前に多孔質層を形成することによって、流路に対して任意の場所に触媒を担持することができる。
【００５１】
第三基板１５は上記した各流路を構成する溝が形成された流路形成用基板であり、例えば、シリコン等が使用されるが、これに限らず、セラミックスや樹脂材料等を用いることができる。
【００５２】
第三基板１５の一方の面（表面）には、溝１５ａ、１５ｂを形成する。例えば、上記凹部７ａの加工方法と同様の方法が挙げられるが、シリコン基板の場合には、表面をパターニングしてエッチングする方法が簡単である。流路の平面的形状については溝形成を任意に行うことができるので、平行直線状の溝よりは、対をなす溝を蛇行させる等して、溝の長さが極力長くなるように曲路状に形成することが、熱交換部分の面積増大及び熱交換の高効率化にとって好ましい。
【００５３】
第三基板１５の裏面（溝とは反対側）には、凹部１８を形成するが、加工方法としては、例えば、第三基板１５の表面（溝の壁面を含む。）に酸化膜や窒化膜、あるいは不純物イオンの拡散層等を形成し、その後、裏面側からこれらの膜や層を残すようにしてエッチングを行う方法が挙げられ、これにより流路を構成する溝部が薄膜により形成される。そして、エッチングで除去された部分は凹部１８とされ、これを第四基板２４で覆うことにより断熱用空間が形成されることになる。
【００５４】
尚、溝１５ａ、１５ｂの両端部（裏面からエッチングされなかった部分）には、流体の供給孔１６ｉ、１７ｉや排出孔１６ｏ、１７ｏをレーザー加工等で貫通孔として形成する。
【００５５】
また、第二基板７と第三基板１５との接合方法については、直接接合や接着接合等が挙げられるが、凹部７ａ、１８の形成を両基板の接合後に行うことが望ましい。
【００５６】
第四基板２４は封止用基板であり、第三基板１５との接合性が良好な材料が望ましい（尚、材質については第一基板２２の説明を参照）。
【００５７】
第四基板２４と第三基板１５に接合には、陽極接合や、接着接合や、熱圧着等の圧着接合、レーザ溶接等の溶接接合等が挙げられる。
【００５８】
第三基板１５に形成された凹部１８を、第四基板２４で覆うことにより断熱用空間２５が形成され、第四基板２４には、第三基板１５に形成された供給孔１６ｉ、１７ｉや排出孔１６ｏ、１７ｏに対応する各位置に、流体の供給孔２８ｉ、２９ｉ、排出孔２８ｏ、２９ｏをそれぞれ形成する。
【００５９】
尚、断熱用空間を画成する凹部７ａ、１８の壁面や、封止用基板（第一基板２２、第四基板２４）の内面に上記反射膜２６を形成する場合には、基板接合前に該反射膜を形成しておく必要がある。
【００６０】
上記第一乃至第四基板が全て接合されて、ヒータやセンサ等の配線といった必要な工程を経て反応装置６が完成し、流体の供給が行われて使用されるが、該反応装置についてはこれを単独で使用する形態と、複数の反応装置を直列に接続した状態（縦列接続）で使用する形態又は流路を複数に分岐させるとともに各分岐路にそれぞれ反応装置を接続した状態（並列接続）で使用する形態等が挙げられる。
【００６１】
図８乃至図１２は、上記反応装置の製造方法について説明するための工程図である（尚、これらの図では、理解し易いように基板の長さ方向に対して厚みを誇張して示している。）。
【００６２】
本発明に係る製造方法では、互いに近接して並行に延びる流路を基板上に形成する工程と、熱交換手段を別の基板に形成する工程とを独立して別々に行うことができ、その後にこれらの基板を接合することにより、熱交換手段を介して流路間で熱交換を行う構造が得られる。
【００６３】
図８は、上記第二基板７について製造工程の一例を示したものであり、概ね下記に示す通りである。
【００６４】
（Ａ１）パターニング工程
（Ａ２）ボロン拡散
（Ａ３）エッチング工程
（Ａ４）酸化膜の成膜工程
（Ａ５）ヒータ、センサ、配線パターン等の形成工程
（Ａ６）触媒担体の形成工程
（Ａ７）酸化膜の成膜工程
（Ａ８）研磨工程
（Ａ９）エッチング工程。
【００６５】
先ず、（Ａ１）では、シリコン基板３０の各面（以下の説明では、図８の上面を「第一面」とし、下面を「第二面」とする。）において所定の範囲に熱酸化膜（ＳｉＯ2）３１、３１、…を形成する。
【００６６】
そして、（Ａ２）では、基板表面のうち熱酸化膜３１が形成されていない部分にボロン（硼素）を拡散する。基板３０の第二面において熱酸化膜３１の非形成範囲には、拡散によって上記均熱板２７に相当する部分３２が形成される。即ち、基板３０に不純物を拡散させることで熱交換部を形成する方法を採用し、本例では、シリコンに不純物イオンを拡散させることで当該部分（拡散層）の熱伝導率を局所的に高めている。尚、基板３０の第一面にも不純物の拡散層３３、３３が形成されているが、これは後の工程でマスクとして用いられる（図１０（Ｃ２）参照。）。
【００６７】
（Ａ３）では、第一面および第二面の熱酸化膜３１をエッチング処理で除去した後、（Ａ４）で酸化膜（ＳｉＯ2）をＣＶＤ（chemical Vapour Deposition）法で形成する。つまり、基板３０の第二面に酸化膜３４を成膜する。
【００６８】
そして、（Ａ５）で酸化膜３４に対してその外表面に回路パターン３５（上記ヒータや、温度センサ、配線パターン等）を形成する。例えば、ポリシリコン（poly-crystal silicon）を用いたプラズマＣＶＤ法によりパターニングを行う。
【００６９】
（Ａ６）では、さらに外表面に触媒担体を形成する。触媒担持用の多孔質材料として、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を含む溶液を用いて、ヒータ、センサ等の外表面にスクリーン印刷法等で成膜した後に焼成し（担体層３６参照）、その後の（Ａ７）でさらにその外表面にＣＶＤ法で酸化膜（ＳｉＯ2）３７を形成する（これは電気的な絶縁を得るとともに、基板の直接接合に必要な平坦度を後の研磨工程によって得るためであり、ヒータやセンサ、配線等が酸化膜に埋設された状態となる。）。
【００７０】
そして、（Ａ８）では、触媒の担体層３６の一部（触媒ヘッド）が表面に露出するまで表面研磨（ＣＭＰ等）を行った後、（Ａ９）において酸化膜３７の一部をエッチングで除去することにより外部回路との電気的な接続部（電極パッド部）３８を形成する。
【００７１】
尚、本例では、上記工程（Ａ２）に示したようにシリコンに不純物イオンを拡散させることで部分的に熱伝導率を高める方法を用いているが、これに限らず、熱伝導性の高い材料を用いて上記均熱板を形成しても良く、例えば、基板に金属膜を蒸着等で形成する方法、あるいは基板に金属板（箔）を接着する方法（但し、底面の強度が保証されることを条件とする。）等が挙げられる。また、上記工程（Ａ６）において担体層３６を形成しておき、後の工程でこれに触媒を担持させる方法を採っているが、これに限らず、工程（Ａ６）で触媒層を直接形成する方法を用いることができる（印刷法やインクジェット法等が好適である。）。
【００７２】
図９は上記第三基板１５について製造工程の一例を示したものであり、概ね下記に示す通りである。
【００７３】
（Ｂ１）パターニング工程
（Ｂ２）溝の形成工程
（Ｂ３）エッチング工程
（Ｂ４）ボロン拡散工程
（Ｂ５）エッチング工程。
【００７４】
先ず、（Ｂ１）では、シリコン基板３９の各面（以下の説明では、図９の上面を「第一面」とし、下面を「第二面」とする。）において所定の範囲に熱酸化膜（ＳｉＯ2）４０、４０、…を形成する。これは後の工程に必要なマスク処理である。
【００７５】
（Ｂ２）では、基板３９の片面（第一面）からドライエッチング処理（DRIE:Deep Reactive Ion Etching）や異方性ウェットエッチングを行うことで、熱酸化膜４０が形成されていない部分（Ｓｉ）を除去して溝４１を掘る（上記溝１５ａ、１５ｂの部分を形成する）。
【００７６】
そして、（Ｂ３）では基板３９の第一面についてエッチング（片面エッチング）で熱酸化膜４０、４０を除去した後、（Ｂ４）でボロンの拡散層４２を形成する。尚、該拡散層は、基板３９の第一面においては全面に形成され、また、第二面については熱酸化膜４０が形成されていない範囲に形成される（後の工程でマスクとして利用される。）。
【００７７】
（Ｂ５）で第二面の熱酸化膜４０、４０、…をエッチング処理で除去する。
【００７８】
図１０は、上記第二基板７、第三基板１５を含む４枚の基板を結合させて一体化する場合の工程を例示したものであり、概ね下記に示す通りである。
【００７９】
（Ｃ１）第二基板と第三基板の接合工程
（Ｃ２）エッチング及び孔形成工程
（Ｃ３）第一及び第四基板の接合と第二基板の配線工程。
【００８０】
先ず、（Ｃ１）では、第二基板７と第三基板１５を接合するが、両基板の各表面を洗浄してから加熱及び加圧により接合する方法（所謂「直接接合」）が好ましい。尚、基板同士の接合には、接合面の平坦化が重要であるため、本例では、図８の工程（Ａ７）で説明したように、第二基板７の第二面に形成されるセンサや配線等をシリコン酸化膜３７で被覆して埋設させてから工程（Ａ８）で研磨して平坦面を形成している（配線等の凹凸が表面の平坦化に影響を及ぼさないように配慮している。）。
【００８１】
（Ｃ２）では、ウェットエッチングにより、第二基板７の第一面における所定範囲のシリコンを選択的に除去する。つまり、図８の工程（Ａ２）で説明したように、第一面にはボロン拡散層３３、３３が形成されており、これがマスクとして機能し、シリコンだけを除去することで上記した凹部７ａが形成され、部分３２（均熱板２７）が露出した状態となる。また、第三基板１５の第二面において所定範囲のシリコンを選択的に除去する。つまり、第二面に形成されたボロン拡散層４２、４２をマスクとして利用し、シリコンだけを除去することで上記凹部１８が形成される。そして、第三基板１５の第二面からレーザ加工で孔４３、４３を開ける。つまり、これらは上記供給孔１６ｉ、１７ｉや排出孔１６ｏ、１７ｏであり、第三基板１５の厚み方向に貫通孔として形成されて各流路の溝に連通した状態となる。
【００８２】
尚、第二基板７及び第三基板１５を接合させた状態で、各基板同士の接合面とは反対側の面に凹部７ａ、１８をそれぞれ形成することが好ましい。つまり、凹部７ａ、１８の形成は、第二基板７と第三基板１５の接合後に行われるので、両基板の接合前に、上記構造体２１の支持部（薄膜）を形成する方法に比べて、薄膜同士の密着性を確保することができるとともに基板の取り扱いが容易であり、作製中における構造体の損傷や破壊等の心配がなく、製造上の信頼性が高い。
【００８３】
（Ｃ３）では、第一基板２２を第二基板７に接合して断熱用空間２３を形成するとともに、第四基板２４を第三基板１５に接合して断熱用空間２５を形成する。接合の確実性等を考慮した場合、真空（減圧状態）、あるいは熱伝導率の低いガス中での陽極接合が好ましい。つまり、減圧の雰囲気中での接合によって断熱用空間が減圧状態となり、また、空気、窒素、アルゴン等の熱伝導率の小さい気体の雰囲気中で接合を行うことで断熱用空間にそれらの気体が充填された状態となる。これにより各断熱用空間において高い断熱効果を得ることができる。
【００８４】
図８の工程（Ａ９）で形成された接続部（電極パッド部３８）については、ワイヤーボンディング等で図示しない外部回路に配線され、ヒータへの給電やセンサ出力の取得等が可能となる。
【００８５】
尚、第四基板２４の孔４４、４４、…（上記供給孔２８ｉ、２９ｉや排出孔２８ｏ、２９ｏに相当する。）は、工程（Ｃ２）で形成された孔４３、４３、…にそれぞれ対応する位置に予め形成されている。
【００８６】
本例では、第二基板７や第三基板１５の各凹部を第一基板２２、第四基板２４でそれぞれ閉塞することで断熱用空間（２３、２５）が形成されるが、凹部７ａ、１８の壁面や基板２２、２４の各表面に、前記反射膜２６を形成することによって外部に輻射熱が放射されないようにする形態では、工程（Ｃ３）の前に、反射膜２６の形成工程を挿入すれば良い。
【００８７】
図１１は、上記第三基板１５の別例（１５Ａ）について製造工程の一例を示したものであり、概ね下記に示す通りである。
【００８８】
（ｂ１）パターニング工程
（ｂ２）ボロン拡散工程
（ｂ３）エッチング工程
（ｂ４）溝の形成工程
（ｂ５）酸化膜成形工程。
【００８９】
先ず、（ｂ１）では、シリコン基板４５の各面（以下の説明では、図１１の上面を「第一面」とし、下面を「第二面」とする。）において所定の範囲に熱酸化膜（ＳｉＯ2）４６、４６、…を形成する。これは後の工程に必要なマスク処理である。
【００９０】
（ｂ２）でボロンの拡散層４７、４７、…を形成する。尚、この拡散層は、基板４５の第一面において流路の溝を形成する範囲以外の領域に形成され、また、基板４５の第二面において形成される拡散層は後の工程でマスクとして利用される。
【００９１】
（ｂ３）では、エッチングで熱酸化膜４６を除去する。
【００９２】
そして、（ｂ４）では、基板４５の片面（第一面）からドライエッチング処理（DRIE:Deep Reactive Ion Etching）や異方性ウェットエッチング処理を行うことで、拡散層４７が形成されていない部分（Ｓｉ）を除去して溝４８を掘る（上記流路の溝部分を形成する）。その後、（ｂ５）では基板４５の第一面に、ＣＶＤ法等でシリコン酸化膜４９を形成する。
【００９３】
他方、第二基板（７Ａ）の製造については、図８に示した（Ａ１）乃至（Ａ６）工程までとする。また、工程（Ａ５）ではＰｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）等の金属材料を用いてパターニングを行うことでヒータやセンサ等を金属膜で形成する。
【００９４】
図１２は、各基板を結合させて一体化する場合の工程を例示したものであり、概ね下記に示す通りである。
【００９５】
（ｃ１）第二基板と第三基板の接合工程
（ｃ２）エッチング及び孔形成工程
（ｃ３）第一及び第四基板の接合と第二基板の配線工程。
【００９６】
先ず、（ｃ１）では、第二基板７Ａと第三基板１５Ａを、低融点ガラスやセラミック系接着材等で接着することにより両基板を接合する。
【００９７】
（ｃ２）では、ウェットエッチングにより、第二基板７Ａの第一面における所定範囲のシリコンを選択的に除去する。つまり、図８の工程（Ａ２）で第二基板７Ａの第一面に形成されたボロン拡散層３３、３３をマスクとしてシリコンを除去することで凹部７ａが形成され、均熱板の部分３２が露出した状態となる。また、第三基板１５Ａの第二面においても同様にして所定範囲のシリコンを選択的に除去する。つまり、第二面に形成されたボロン拡散層４７、４７をマスクとしてシリコンを除去することで凹部１８が形成される。そして、第三基板１５Ａの第二面からレーザ加工で孔５０、５０を開ける。つまり、これらは上記供給孔１６ｉ、１７ｉや排出孔１６ｏ、１７ｏに相当し、第三基板１５Ａの厚み方向に貫通孔として形成されて各流路の溝と連通した状態となる。
【００９８】
尚、凹部７ａ、１８の形成は、第二基板７Ａと第三基板１５Ａの接合後に行われるので、薄膜同士の密着性が確保され、製造上の信頼性が高い。
【００９９】
（ｃ３）では、第一基板２２を第二基板７Ａに接合するとともに、第四基板２４を第三基板１５Ａに接合する。接合の確実性等を考慮した場合、前記したように、真空中（減圧状態）あるいは熱伝導率の低いガス中での陽極接合が好ましい。
【０１００】
配線用の回路パターン３５の一端部は接続部（電極パッド部）として露出されており、ワイヤーボンディング等で図示しない外部回路に配線され、これによってヒータへの給電やセンサ出力の取得等が可能となる。
【０１０１】
尚、第四基板２４の孔５１、５１、…（上記供給孔２８ｉ、２９ｉや排出穴２８ｏ、２９ｏに相当する。）は、工程（ｃ２）で形成された孔５０、５０、…にそれぞれ対応する位置に予め形成されている。
【０１０２】
本例において、凹部７ａ、１８の壁面や基板２２、２４の各表面に、反射膜２６を形成することで外部に輻射熱が放射されないようにする形態では、上記工程（ｃ３）の前に反射膜２６の形成工程を挿入すれば良い。
【０１０３】
尚、本発明の適用においては上記した構成例に限らず、例えば、図１３に示すような各種形態での実施が可能である（図には、理解し易いように各流路を直線路として簡略的に示す。）。
【０１０４】
・加熱用流路４ａを反応用流路４ｂと４ｂとの間に挟んだ構成として、熱の利用効率を高めた構成形態（図１３（Ａ）参照）。
【０１０５】
・加熱用流路４ａと反応用流路４ｂとを交互に配置させることで小型化に適した構成形態（図１３（Ｂ）参照）。
【０１０６】
・加熱用流路４ａと反応用流路４ｂを一組にしたものをユニットとして、複数個のユニットを並列的に配置させることで、各ユニットでの反応について並行して処理できるようにした構成形態（図１３（Ｃ））。
【０１０７】
上記した構成及び製造方法によれば、例えば、下記に示す利点が得られる。
【０１０８】
・熱交換器を構成する均熱板を介して加熱用流路と反応用流路が熱的に繋がれた構造を有しているので、熱源からの熱を反応用流路に伝達して有効に利用できること
・加熱用流路と反応用流路とが基板上で互いに並行して延びており、これらを長い流路として基板上に任意の形状及び配置をもって形成することができるので、基板面積において触媒層と熱交換部分の面積が占める割合を大きくすることができ、小型化に適していること
・加熱用流体と反応用流体との熱交換を高効率で行うことによって、加熱用流体の廃熱を有効に利用することができ、流体の排出にともなう外部への熱の損失を低減できること
・加熱用流路、反応用流路、熱交換部が断熱用空間に配置されているので、外部に流出する熱の損失を低減できること
・流路を薄膜で形成することによって、流路壁面を通じて外部へ流出する熱の損失を低減できること
・断熱用空間を形成する内壁に反射膜を形成することによって、輻射熱が外部に放射されるのを防止できること
・流路内に多孔質層を予め形成することによって、任意の場所に触媒を担持させることができること。
【０１０９】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項１、請求項１２、請求項１５、請求項１７に係る発明によれば、対をなす流路間での良好な熱伝達によって熱を有効に利用して反応を行うことができ、効率の向上や装置の小型化、薄型化を実現することができる。そして、流路の形成基板と熱交換手段の形成基板を別個に作製して両基板を接合させることで、構成の簡単化や製造工数の低減等が可能である。また、外部に流出する熱の損失を防止し、効率の向上に有効である。
【０１１０】
請求項２に係る発明によれば、熱交換の効率化に好適である。
【０１１１】
請求項３に係る発明によれば、熱交換が行われる部分の面積を増大させることができ、また、小型化に適している。
【０１１２】
請求項４に係る発明によれば、発熱手段により発生する熱を、熱交換手段を介して反応用流路へ効率良く伝達させることができる。
【０１１３】
請求項５に係る発明によれば、発熱手段を基板に対して容易に形成することができる。
【０１１４】
請求項６に係る発明によれば、熱交換手段の構成を簡単化することができる。
【０１１６】
請求項７に係る発明によれば、構成の複雑化を伴わずに断熱効果を高めることができる。
【０１１９】
請求項８に係る発明によれば、温度検出用素子や温度制御用素子を用いた構成について集積化に適している。
【０１２０】
請求項９に係る発明によれば、装置の小型化や薄型化に好適である。
【０１２１】
請求項１０や請求項１３に係る発明によれば、熱交換手段からの熱の放散を防止できる。
【０１２３】
請求項１１に係る発明によれば、各流路からの熱の放散を防止できる。
【０１２６】
請求項１４に係る発明によれば、基板同士を確実に接合することができる。
【０１２９】
請求項１６や請求項１８に係る発明によれば、発熱手段により発生する熱を、反応用流路に効率良く伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電源供給システムについて基本構成を示す図である。
【図２】本発明に係る改質装置の基本構成例を示す概念図である。
【図３】図４及び図５とともに反応装置の構造例を示す図であり、本図は触媒担体及び熱交換手段が形成された基板を示す図である。
【図４】流路を構成する溝が形成された基板を示す図である。
【図５】基板接合後の断面構造を示す説明図である。
【図６】断熱用空間の内壁に反射膜を形成した例を示す図である。
【図７】４枚の基板を用いた反応装置の構成例を示す斜視図である。
【図８】第二基板について製造工程を例示した説明図である。
【図９】第三基板について製造工程を例示した説明図である。
【図１０】４枚の基板の結合について製造工程を例示した説明図である。
【図１１】第三基板について製造工程の別例を示した説明図である。
【図１２】４枚の基板の結合について製造工程の別例を示した説明図である。
【図１３】本発明に係る各種の構成形態を例示した説明図である。
【符号の説明】
１…電源供給システム、２…改質装置、３…発電装置、４ａ、４ｂ…流路、４ａ…加熱用流路、４ｂ…反応用流路、５…熱交換手段、６…反応装置、７、１５…基板、７、７Ａ…第二の基板、７ａ…凹部、８…熱交換部、９…温度制御用素子、１０…温度検出用素子、１４ａ、１４ｂ…触媒担体、１５、１５Ａ…第三の基板、１５ａ、１５ｂ…溝、１８…凹部、２０…発熱手段、２１…構造体、２２…第一の基板、２３、２５…断熱用空間、２６…反射膜

Claims (18)

  1. 対をなす流路を備え、流路内の流体を化学的に反応させる反応装置において、
    上記対をなす流路が互いに近接して並行に延びる配置をもって基板上に形成されるとともに、両流路間で熱交換を行う熱交換手段を備え、
    上記各流路及び上記熱交換手段を含む構造体が、断熱用空間内に収容された構成を有する
    ことを特徴とする反応装置。
  2. 請求項１に記載した反応装置において、
    上記対をなす流路のうち、第一の流路が加熱用流路とされ、第二の流路が反応用流路とされており、各流路における流体の流れの向きが互いに反対である
    ことを特徴とする反応装置。
  3. 請求項１に記載した反応装置において、
    上記対をなす流路が基板上に曲路として形成されている
    ことを特徴とする反応装置。
  4. 請求項２に記載した反応装置において、
    上記加熱用流路に設けられる発熱手段が、燃焼用触媒を担持した触媒担体を有している
    ことを特徴とする反応装置。
  5. 請求項４に記載した反応装置において、
    上記発熱手段が抵抗発熱体を有する
    ことを特徴とする反応装置。
  6. 請求項１に記載した反応装置において、
    上記熱交換手段が熱伝導性材料で形成された熱交換部である
    ことを特徴とする反応装置。
  7. 請求項１に記載した反応装置において、
    上記断熱用空間が減圧状態とされ又は上記断熱用空間に熱伝導率の小さい気体が充填されている
    ことを特徴とする反応装置。
  8. 請求項１に記載した反応装置において、
    上記流路に温度検出用素子又は温度制御用素子が配置されている
    ことを特徴とする反応装置。
  9. 請求項１に記載した反応装置において、
    上記流路又は熱交換手段が形成された複数の基板を接合した構成を有する
    ことを特徴とする反応装置。
  10. 請求項９に記載した反応装置において、
    第一の基板と、上記熱交換手段が凹部内に形成された第二の基板を備え、
    上記第一の基板によって上記凹部を覆うことで断熱用空間が形成される
    ことを特徴とする反応装置。
  11. 請求項９に記載した反応装置において、
    上記の各流路を構成する溝が形成された流路用基板を備え、該溝とは反対側の面に形成された凹部を、封止用基板で覆うことにより断熱用空間が形成されている
    ことを特徴とする反応装置。
  12. 対をなす流路を備え、流路内の流体を化学的に反応させる反応装置の製造方法において、
    互いに近接して並行に配置される上記対をなす流路を基板上に形成する工程及び両流路間で熱交換を行うための熱交換手段を別の基板に形成する工程と、
    上記両基板を接合する工程を有する
    ことを特徴とする反応装置の製造方法。
  13. 請求項１２に記載した反応装置の製造方法において、
    第一の基板を、上記熱交換手段が形成された第二の基板に接合し、該第二の基板の凹部を覆うことで該熱交換手段の断熱用空間を形成する
    ことを特徴とする反応装置の製造方法。
  14. 請求項１３に記載した反応装置の製造方法において、
    上記第一及び第二の基板を陽極接合する
    ことを特徴とする反応装置の製造方法。
  15. 対をなす流路のうち、第一の流路が燃料の加熱用流路とされ、第二の流路が反応用流路とされて該流路を経て流体が改質されるように構成された改質装置において、
    上記加熱用流路及び反応用流路が互いに近接して並行に延びる配置をもって基板上に形成されるとともに、両流路間で熱交換を行う熱交換手段を備え、
    上記各流路及び上記熱交換手段を含む構造体が、断熱用空間内に収容された構成を有する
    ことを特徴とする改質装置。
  16. 請求項１５に記載した改質装置において、
    上記加熱用流路に設けられた発熱手段によって発生する熱が、上記熱交換手段を介して上記反応用流路に伝達されるとともに、該反応用流路に設けられた触媒担体上の触媒によって改質が行われる
    ことを特徴とする改質装置。
  17. 対をなす流路のうち、第一の流路が燃料の加熱用流路とされ、第二の流路が反応用流路とされて該流路を経て流体が改質されるように構成され、上記加熱用流路及び反応用流路が互いに近接して並行に延びる配置をもって基板上に形成されるとともに、両流路間で熱交換を行う熱交換手段を備え、上記各流路及び上記熱交換手段を含む構造体が、断熱用空間内に収容された構成を有する改質装置と、上記反応用流路を通って改質された流体を他の材料と反応させて電気を発生させる発電装置を備えた電源供給システムにおいて、
    上記加熱用流路及び反応用流路が互いに近接して並行に延びる配置をもって基板上に形成されるとともに、両流路間で熱交換を行う熱交換手段を備えている
    ことを特徴とする電源供給システム。
  18. 請求項１７に記載した電源供給システムにおいて、
    上記加熱用流路に設けられた発熱手段によって発生する熱が、上記熱交換手段を介して上記反応用流路に伝達されるとともに、該反応用流路に設けられた触媒担体上の触媒によって改質された水素と、空気中の酸素を発電装置に供給して反応させる
    ことを特徴とする電源供給システム。
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