JP2007008731A - 水素製造装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高効率の触媒反応を可能とする水素製造装置と、この水素製造装置を簡便に製造することができる製造方法を提供する。
【解決手段】水素製造装置を、１組の基板が接合された接合体と、この１組の基板の少なくとも一方の基板の接合面に形成された微細溝部で構成されたトンネル状流路と、このトンネル状流路が接合体のいずれかの面に露出してなる原料導入口およびガス排出口と、トンネル状流路に形成された触媒担持層と、この触媒担持層に担持された触媒とを備えるものとし、触媒担持層はアルミナ皮膜とし、かつ、表面積がトンネル状流路の見掛け表面積の５０倍以上であるようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池用の水素製造装置とその製造方法に係り、特に担持した触媒によって所望の反応を進行させるための水素製造装置と、その製造方法に関する。

従来から、触媒を利用したリアクターが種々の分野で使用されており、目的に応じて最適な設計がなされている。
一方、近年、地球環境保護の観点で二酸化炭素等の地球温暖化ガスの発生がなく、また、エネルギー効率が高いことから、水素を燃料とすることが注目されている。特に、燃料電池は水素を直接電力に変換できることや、発生する熱を利用するコジェネレーションシステムにおいて高いエネルギー変換効率が可能なことから注目されている。これまで燃料電池は宇宙開発や海洋開発等の特殊な条件において採用されてきたが、最近では自動車や家庭用分散電源用途への開発が進んでおり、また、携帯機器用の燃料電池も開発されている。
携帯機器用の燃料電池では小型化が必須であり、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素ガスを生成する改質器の小型化が種々検討されている。例えば、シリコン基板やセラミックス基板にマイクロチャネルを形成し、このマイクロチャネル内に触媒を担持した水素製造装置が開発されている（特許文献１）。
特開２００２−２５２０１４号公報

しかしながら、従来の水素製造装置はマイクロチャネル内に触媒を担持しているため、触媒の担持性を考慮して水素製造装置の材料を選定する必要があり、種々の問題があった。例えば、熱の利用効率が高い材料としてアルミニウムを使用した場合、エッチングによるマイクロチャネルの形成や、部材どうしの強固な接合が困難であった。また、ステンレスを使用した場合、マイクロチャネルの形成は容易であるものの、マイクロチャネル内への触媒担持が困難であった。さらに、材料をアルミニウム成分含有のステンレスとした場合、マイクロチャネルの形成と、マイクロチャネル内への触媒担持は容易であるものの、部材どうしの強固な接合は困難であった。したがって、上記の問題を生じないような材料として、熱の利用効率が悪い材料を使用せざるを得ない場合があった。

また、マイクロチャネル内に触媒を担持する工程で基板面の清浄性が失われると、基板の接合工程に支障を来たすという問題があった。
また、マイクロチャネル内に担持した触媒が、水素製造装置の製造工程中において著しく汚染されたり失活する場合もあり、使用できる触媒が制限されたり、製造工程管理が難しいという問題もあった。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、小型で高効率の触媒反応を可能とする水素製造装置と、この水素製造装置を簡便に製造することができる製造方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の水素製造装置は、１組の金属基板が接合された接合体と、前記１組の金属基板の少なくとも一方の金属基板の接合面に形成された微細溝部で構成されたトンネル状流路と、該トンネル状流路が接合体のいずれかの面に露出してなる原料導入口およびガス排出口と、前記トンネル状流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、前記触媒担持層はアルミナ皮膜であり、かつ、表面積が前記トンネル状流路の見掛け表面積の５０倍以上であるような構成とした。

また、本発明の水素製造装置は、３枚以上の金属基板が積層接合された接合体と、該接合体の内部に形成された流路と、該流路が接合体のいずれかの面に露出してなる原料導入口およびガス排出口と、前記流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、少なくとも最外層に位置しない前記金属基板は少なくとも一方の接合面に形成された溝部と、該溝部に形成された貫通孔とを有し、前記溝部と前記貫通孔により前記流路が構成され、前記触媒担持層はアルミナ皮膜であり、かつ、表面積が前記流路の見掛け表面積の５０倍以上であるような構成とした。

本発明の他の態様として、前記溝部は隔壁を介して複数形成されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記溝部に形成された貫通孔は複数であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記接合体は、絶縁膜を介して発熱体を備えるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基板はステンレス基板であり、前記接合体はステンレス基板が拡散接合されたものであるような構成とした。

本発明の水素製造装置の製造方法は、接合体を構成するための１組の金属基板の少なくとも一方の金属基板の片面に微細溝部を形成する溝部形成工程と、アルミナ溶射を行って前記微細溝部内にのみアルミナ皮膜を成膜して触媒担持層とする触媒担持層形成工程と、前記１組の金属基板を接合して、前記微細溝部で構成されたトンネル状流路を内部に備え、該トンネル状流路の開口端が原料導入口とガス排出口をなす接合体を形成する接合工程と、前記トンネル状流路内の前記触媒担持層に触媒を担持する触媒担持工程と、を有するような構成とした。

本発明の他の態様として、前記溝部形成工程と前記触媒担持層形成工程との間に、前記微細溝部の壁面を粗面化する表面処理工程を有するような構成とし、また、前記表面処理工程は、サンドブラスト処理、エッチング処理および粗面化めっき処理のいずれかであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記触媒担持層形成工程では、前記微細溝部に対応した開口部を有するメタルマスクを介してアルミナ溶射を行って前記微細溝部内にのみ触媒担持層を形成するような構成とした。

本発明の他の態様として、前記溝部形成工程では、レジストパターンを介して前記金属基板にサンドブラスト処理またはエッチング処理を施して微細溝部を形成し、前記触媒担持層形成工程では、前記レジストパターンを介してアルミナ溶射を行い、その後、レジストパターンを除去して不要なアルミナ皮膜をリフトオフすることにより前記微細溝部内にのみ触媒担持層を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記溝部形成工程では、レジストパターンを介して前記金属基板にサンドブラスト処理またはエッチング処理を施して微細溝部を形成し、前記触媒担持層形成工程では、金属基板の微細溝部非形成部位に耐溶射性のレジストパターンを形成し、該レジストパターンを介してアルミナ溶射を行い、その後、レジストパターンを除去して不要なアルミナ皮膜をリフトオフすることにより前記微細溝部内にのみ触媒担持層を形成するような構成とした。

本発明の水素製造装置の製造方法は、接合体を構成するための複数の金属基板の全て、または、最外層に配設される１枚を除いた金属基板に対して、その少なくとも片面に、溝部と該溝部内に位置する貫通孔とを形成する溝部・貫通孔形成工程と、アルミナ溶射を行って前記溝部内と前記貫通孔内にのみアルミナ皮膜を成膜して触媒担持層とする触媒担持層形成工程と、前記複数の金属基板を接合して、前記溝部と前記貫通孔で構成された流路を内部に備え、該流路の開口端が原料導入口とガス排出口をなす接合体を形成する接合工程と、前記流路内の前記触媒担持層に触媒を担持する触媒担持工程と、を有するような構成とした。

本発明の他の態様として、前記溝部・貫通孔形成工程と前記触媒担持層形成工程との間に、前記溝部と前記貫通孔の壁面を粗面化する表面処理工程を有するような構成とし、また、前記表面処理工程は、サンドブラスト処理、エッチング処理および粗面化めっき処理のいずれかであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記触媒担持層形成工程では、前記溝部に対応した開口部を有するメタルマスクを介してアルミナ溶射を行って前記溝部内と前記貫通孔内にのみ触媒担持層を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記溝部・貫通孔形成工程では、レジストパターンを介して前記金属基板にサンドブラスト処理またはエッチング処理を施して溝部と貫通孔を形成し、前記触媒担持層形成工程では、前記レジストパターンを介してアルミナ溶射を行い、その後、レジストパターンを除去して不要なアルミナ皮膜をリフトオフすることにより前記溝部内と前記貫通孔内にのみ触媒担持層を形成するような構成とした。

本発明の他の態様として、前記溝部・貫通孔形成工程では、レジストパターンを介して前記金属基板にサンドブラスト処理またはエッチング処理を施して溝部と貫通孔を形成し、前記触媒担持層形成工程では、金属基板の溝部非形成部位に耐溶射性のレジストパターンを形成し、該レジストパターンを介してアルミナ溶射を行い、その後、レジストパターンを除去して不要なアルミナ皮膜をリフトオフすることにより前記溝部内と前記貫通孔内にのみ触媒担持層を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基板としてステンレス基板を使用し、前記接合工程では拡散接合を行うような構成とした。

本発明の水素製造装置は、流路の見掛け表面積に比べて、アルミナ皮膜である触媒担持層が大きな表面積を有しているので、この触媒担持層に担持される触媒量が大きなものとなり、反応効率が向上しスペースの有効利用が可能であり、また、金属基板と触媒との熱膨張率の違いによる熱歪を触媒担持層が吸収するので、触媒の脱落を防止して安定した触媒担持が可能であり信頼性の高いものとなる。
また、本発明の水素製造装置の製造方法は、接合体を形成する前の基板状態で触媒担持層をアルミナ溶射により形成するので、均一な触媒担持層の形成を容易に行うことができ、かつ、金属基板の接合面の清浄性を確保することができ、また、アルミナ溶射で形成した触媒担持層が大きな比表面積を有するので、触媒担持工程において触媒を均一、かつ大量に担持させることができる。また、金属基板としてステンレス基板を使用した場合には、微細溝部や溝部・貫通孔の精密形成が容易であり、さらに、拡散接合により接合強度の高い接合体を形成することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［水素製造装置］
（第１の実施態様）
図１は本発明の水素製造装置の実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示される水素製造装置のＡ−Ａ線における拡大縦断面図である。図１および図２において、本発明の水素製造装置１は、一方の面４ａに微細溝部５が形成された金属基板４と、一方の面６ａに微細溝部７が形成された金属基板６とが、微細溝部５と微細溝部７が対向するように接合された接合体２を有している。この接合体２の内部には、対向する微細溝部５，７で構成されたトンネル状流路３が形成されており、このトンネル状流路３の内壁面の全面に触媒担持層９を介して触媒Ｃが担持されている。また、上記の接合体２の端面２ａには、トンネル状流路３の両端部が露出しており、それぞれ原料導入口８ａとガス排出口８ｂを構成している。

図３は、図１に示される水素製造装置１の金属基板４と金属基板６を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図３では、触媒担持層９を省略している。図３に示されるように、微細溝部５，７は、１８０度折り返して蛇行しながら連続する形状で形成されている。そして、微細溝部５と微細溝部７は、金属基板４，６の接合面に対して対称関係にあるパターン形状である。したがって、金属基板４，６の接合により、微細溝部５の端部５ａが微細溝部７の端部７ａ上に位置し、微細溝部５の端部５ｂが微細溝部７の端部７ｂ上に位置して、微細溝部５と微細溝部７が完全に対向している。このような微細溝部５，７で構成されるトンネル状流路３の端部が、図１に示されるように、原料導入口８ａとガス排出口８ｂをなしている。

水素製造装置１を構成する金属基板４，６は、トンネル状流路３の壁面に直接触媒Ｃを担持しないので、微細溝部５，７の加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、チタン基板、鉄基板、鉄合金基板等であってよい。ステンレス基板の場合、微細溝部５，７の精密加工が容易であるとともに、拡散接合により強固な接合体２が得られる。また、銅基板の場合、微細溝部５．７の精密加工が容易であるとともに、レーザー溶接、抵抗溶接、ロウ付けにより強固な接合体２が得られる。金属基板４，６の厚みは、水素製造装置１の大きさ、使用する金属の熱容量、熱伝導率等の特性、形成する微細溝部５，７の大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、５０〜５０００μｍ程度の範囲で設定することができる。

金属基板４，６に形成される微細溝部５，７は、図３に示されるような形状に限定されるものではなく、微細溝部５，７内に担持する触媒Ｃの量が多くなり、かつ、原料が触媒Ｃと接触する流路長が長くなるような任意の形状とすることができる。例えば、図４に示されるように、微細溝部５，７が複数本（図示例では２本）の微細溝部５ｃ，５ｄ、微細溝部７ｃ，７ｄからなるものとしてもよい。この例では、２本の微細溝部５ｃ，５ｄが端部５ａ，５ｂ近傍で合流し、また２本の微細溝部７ｃ，７ｄが端部７ａ，７ｂ近傍で合流している。微細溝部５，７をこのような構造とすることにより、水素製造装置の圧力損失を低減することができる。
また、トンネル状流路３の流体の流れ方向に垂直な断面における微細溝部５，７の内壁面の形状は、円弧形状ないし半円形状、あるいは、Ｕ字形状が好ましい。このような微細溝部５，７からなるトンネル状流路３の径は、例えば、１００〜２０００μｍ程度の範囲内で設定することができ、流路長は３０〜３００ｍｍ程度の範囲とすることができる。

触媒担持層９はアルミナ皮膜であり、その表面積は上記のトンネル状流路３の見掛け表面積の５０倍以上、好ましくは１００〜１０００倍である。また、触媒担持層９の厚みは、例えば、１０〜５０μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、触媒担持層９の表面積は、ＢＥＴ比表面積測定装置を用いて測定する。また、トンネル状流路３の見掛け表面積とは、触媒担持層９が存在しない状態でのトンネル状流路３の内壁面の面積とする。但し、トンネル状流路３の断面形状が流体の流れ方向で一定の場合には、トンネル状流路３（触媒担持層９が存在しない状態）の流体の流れ方向に垂直な断面の外周長Ｌ１と、トンネル状流路３の流路長Ｌ２の積を見掛け表面積としてもよい。

このように、触媒担持層９の表面積がトンネル状流路３の見掛け表面積に比べて大きいので、担持される触媒Ｃの担持量が大きなものとなり、水素製造装置１は、反応効率の向上とスペースの有効利用が可能なものとなる。また、アルミナ皮膜からなる触媒担持層９は多孔構造であるため、金属基板４，６と触媒Ｃとの熱膨張率の違いによる熱歪を吸収することができ、触媒Ｃの脱落が防止され安定した触媒担持が可能となるので、水素製造装置１は信頼性の高いものとなる。
触媒Ｃとしては、従来から水素製造に使用されているＣｕ−Ｚｎ系触媒、Ｐｔ系触媒等の公知の触媒を使用することができる。

（第２の実施態様）
図５は本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す図２相当の縦断面図である。図５において、本発明の水素製造装置１１は、一方の面１４ａに微細溝部１５が形成された金属基板１４と、微細溝部１５を覆うように金属基板１４の面１４ａに接合された金属基板（カバー部材）１６とからなる接合体１２を有している。この接合体１２の内部には、微細溝部１５と金属基板１６とで構成されたトンネル状流路１３が形成されており、微細溝部１５の内壁面に触媒担持層１９を介して触媒Ｃが担持されている。
金属基板１４の微細溝部１５は、図３に示される微細溝部５，７と同様に、１８０度折り返して蛇行しながら連続する形状であってよい。また、微細溝部１５の断面形状は円弧形状ないし半円形状、あるいは、Ｕ字形状等であってよい。そして、トンネル状流路１３の一方の開口端が原料導入口（図示せず）となり、他方の開口端がガス排出口（図示せず）となっている。

このような水素製造装置１１を構成する金属基板１４、金属基板（カバー部材）１６は、上述の実施形態の金属基板４，６と同様の材料を使用することができる。また、金属基板１４の厚みは、水素製造装置１１の大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、形成する微細溝部１５の大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、５０〜５０００μｍ程度の範囲で設定することができる。また、金属基板１６の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができ、例えば、２０〜２０００μｍ程度の範囲で設定することができる。

この水素製造装置１１においても、触媒担持層１９はアルミナ皮膜であり、その表面積はトンネル状流路１３の見掛け表面積の５０倍以上、好ましくは１００〜１０００倍である。また、触媒担持層１９の厚みは、例えば、１０〜５０μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、触媒担持層１９の表面積は、ＢＥＴ比表面積測定装置を用いて測定する。また、トンネル状流路１３の見掛け表面積とは、触媒担持層１９が存在しない状態でのトンネル状流路１３の内壁面の面積とする。但し、トンネル状流路１３の断面形状が流体の流れ方向で一定の場合には、トンネル状流路１３（触媒担持層１９が存在しない状態）の流体の流れ方向に垂直な断面の外周長Ｌ１と、トンネル状流路１３の流路長Ｌ２の積を見掛け表面積としてもよい。

このように、トンネル状流路１３の見掛け表面積に比べて触媒担持層１９の表面積が大きいので、担持される触媒Ｃの担持量が大きなものとなり、水素製造装置１１は、反応効率の向上とスペースの有効利用が可能なものとなる。また、アルミナ皮膜からなる触媒担持層１９は多孔構造であるため、金属基板１４と触媒Ｃとの熱膨張率の違いによる熱歪を吸収することができ、触媒Ｃの脱落が防止され安定した触媒担持が可能となるので、水素製造装置１１は信頼性の高いものとなる。
触媒Ｃとしては、従来から水素製造に使用されているＣｕ−Ｚｎ系触媒、Ｐｔ系触媒等の公知の触媒を使用することができる。

上述の本発明の水素製造装置は、発熱体を備えるものであってもよい。図６は、このような本発明の水素製造装置の実施形態を示す図２相当の縦断面図である。図６において、本発明の水素製造装置１′は、上述の水素製造装置１の接合体２の表面（金属基板４の表面）に絶縁膜２１を介して発熱体２２が設けられており、発熱体２２には電極２３，２３が形成され、この電極２３，２３が露出するような電極開口部２４ａ，２４ａを有する発熱体保護層２４が、発熱体２２を覆うように設けられたものである。
金属基板４に形成された絶縁膜２１は、例えば、ポリイミド、セラミック（Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂）等とすることができる。また、絶縁膜２１は、接合体２の陽極酸化により形成した金属酸化膜であってもよい。このような絶縁膜２１の厚みは、使用する材料の特性等を考慮して適宜設定することができ、例えば、１〜１５０μｍ程度の範囲で設定することができる。

水素製造装置１′を構成する発熱体２２は、吸熱反応である原料の水蒸気改質等に必要な熱を供給するためのものであり、カーボンペースト、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）等の材質を使用することができる。この発熱体２２は、例えば、幅１０〜２００μｍ程度の細線を、微細溝部５が形成されている領域に相当する金属基板４（絶縁層２１）上の領域全面に引き回したような形状とすることができる。
このような発熱体２２に形成された通電用の電極２３，２３は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｇ等の導電材料を用いて形成することができる。
また、発熱体保護層２４は、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂等のセラミック材料、感光性ポリイミド、ワニス状のポリイミド等により形成することができる。また、発熱体保護層２４の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、２〜２５μｍ程度の範囲で設定することができる。
尚、上記の絶縁膜２１、発熱体２２、電極２３，２３、発熱体保護層２４を金属基板６上に配設してもよいことは勿論である。
また、上述の水素製造装置１１においても、金属基板１４上あるいは金属基板１６上に絶縁膜２１、発熱体２２、電極２３，２３、発熱体保護層２４を配設することができる。

また、上述の本発明の水素製造装置は、接合体の端面に原料導入口とガス排出口を有する構造であるが、原料導入口とガス排出口を接合体の主平面に備えるものであってもよい。図７は、このような本発明の水素製造装置の実施形態を示す図２相当の縦断面図である。図７において、本発明の水素製造装置１１′は、一方の面１４ａに微細溝部１５が形成された金属基板１４と、微細溝部１５を覆うように金属基板１４の面１４ａに接合された金属基板（カバー部材）１６とからなる接合体１２を有している。この接合体１２の内部には、微細溝部１５と金属基板１６とで構成されたトンネル状流路１３が形成されており、微細溝部１５の内壁面に触媒担持層１９を介して触媒Ｃが担持されている。また、上記金属基板１６には、原料導入口１８ａとガス排出口１８ｂが設けられており、これらはトンネル状流路１３の各端部に位置している。
尚、上述の水素製造装置１においても、原料導入口とガス排出口を接合体２の主平面に備えるものであってもよい。

（第３の実施態様）
図８は、本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す斜視図であり、図９は図８に示される水素製造装置のＢ−Ｂ線における拡大縦断面図であり、図１０は図８に示される水素製造装置のＣ−Ｃ線における拡大縦断面図である。図８〜図１０において、本発明の水素製造装置３１は、５枚の金属基板３４，３５，３６，３７，３８が積層接合された接合体３２を有している。５枚の金属基板３４，３５，３６，３７，３８のうち、一方の最外層である金属基板３４はカバー部材として機能し、所定の位置に３個の貫通孔３４Ｂを備えている。また、最外層に位置しない３枚の金属基板３５，３６，３７と、最外層の金属基板３８は、それぞれ隔壁を介して分離された３列の溝部３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ，３８Ａを一方の面（金属基板３４側）に備え、各溝部３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ，３８Ａには貫通孔３５Ｂ，３６Ｂ，３７Ｂ，３８Ｂがそれぞれ設けられている。そして、３列の溝部３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ，３８Ａは、それぞれ貫通孔３５Ｂ，３６Ｂ，３７Ｂを介して積層方向に連通されている。したがって、金属基板３４の貫通孔３４Ｂから、溝部３５Ａ→貫通孔３５Ｂ→溝部３６Ａ→貫通孔３６Ｂ→溝部３７Ａ→貫通孔３７Ｂ→溝部３８Ａ→貫通孔３８Ｂに至るジグザグ形状の流路３３が３本（３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ）形成されている。

また、上記のように３本の流路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃを構成する４枚の金属基板３５，３６，３７，３８の各溝部３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ，３８Ａと、３枚の金属基板３５，３６，３７の貫通孔３５Ｂ，３６Ｂ，３７Ｂの内壁面には、触媒担持層４０を介して触媒Ｃが担持されている。そして、金属基板３４の３個の貫通孔３４Ｂは、３本の流路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの原料導入口３９ａであり、最外層の金属基板３８の３個の貫通孔３８Ｂは、３本の流路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃのガス排出口３９ｂとなっている。

図１１は、図８に示される水素製造装置３１を構成する５枚の金属基板３４，３５，３６，３７，３８を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図１１では、触媒担持層４０を省略している。図１１に示されるように、金属基板３５，３６，３７，３８には、それぞれ隔壁を介して３列の溝部３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ，３８Ａが形成されており、各溝部３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ，３８Ａの一方の端部には貫通孔３５Ｂ，３６Ｂ，３７Ｂ，３８Ｂがそれぞれ設けられている。図示例では、ジグザグ形状の３本の流路３３のうち、流路３３Ａと流路３３Ｃは、溝部３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ，３８Ａ内での流体の流れ方向が同一であり、流路３３Ｂは流体の流れ方向が逆となっている。

水素製造装置３１を構成する５枚の金属基板３４，３５，３６，３７，３８は、上述の実施形態の金属基板４，６と同様の材料を使用することができる。また、金属基板３５，３６，３７，３８の厚みは、水素製造装置３１の大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、必要とされる溝部３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ，３８Ａの大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、５０〜５０００μｍ程度の範囲で設定することができる。また、金属基板３４の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができ、例えば、２０〜２０００μｍ程度の範囲で設定することができる。
この水素製造装置３１においても、触媒担持層４０はアルミナ皮膜であり、その表面積は流路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの総見掛け表面積の５０倍以上、好ましくは１００〜１０００倍である。また、触媒担持層４０の厚みは、例えば、１０〜５０μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、触媒担持層４０の表面積は、ＢＥＴ比表面積測定装置を用いて測定する。また、各流路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの見掛け表面積とは、触媒担持層４０が存在しない状態での各流路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの内壁面の面積とする。

このように、流路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの総見掛け表面積に比べて触媒担持層４０の表面積が大きいので、担持される触媒Ｃの担持量が大きなものとなり、水素製造装置３１は、反応効率の向上とスペースの有効利用が可能なものとなる。また、アルミナ皮膜からなる触媒担持層４０は多孔構造であるため、金属基板３４，３５，３６，３７，３８と触媒Ｃとの熱膨張率の違いによる熱歪を吸収することができ、触媒Ｃの脱落が防止され安定した触媒担持が可能となるので、水素製造装置３１は信頼性の高いものとなる。
触媒Ｃとしては、従来から水素製造に使用されているＣｕ−Ｚｎ系触媒、Ｐｔ系触媒等の公知の触媒を使用することができる。また、各流路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ毎に任意の触媒を担持させることができる。

尚、上述の水素製造装置３１においても、接合体３２の所望の面に絶縁膜を介して発熱体と電極、発熱体保護層を配設することができる。
また、各流路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの流体の流れ方向には制限はなく、流体の流れ方向が、図示例と逆に、基板３８から基板３４へ向かうものであってもよい。この場合、３個の原料導入口３９ａと、３個のガス排出口３９ｂとが逆となる。また、３個の原料導入口３９ａの位置、３個のガス排出口３９ｂの位置も図示例に限定されるものではない。
また、金属基板３４の表面（溝部３５Ａ側に露出している面）にも触媒担持層４０を介して触媒Ｃを担持してよく、さらに、各金属基板３５，３６，３７の表面（溝部３６Ａ，３７Ａ，３８Ａに露出している面）にも触媒担持層４０を介して触媒Ｃを担持してよい。これにより、触媒Ｃの担持量がさらに増大し、反応効率とスペースの有効利用が向上する。

（第４の実施形態）
図１２は、本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す斜視図であり、図１３は図１２に示される水素製造装置のＤ−Ｄ線における拡大縦断面図である。図１２、図１３において、本発明の水素製造装置４１は、６枚の金属基板４４，４５，４６，４７，４８，４９が積層接合された接合体４２を有している。また、図１４は、図１２に示される水素製造装置４１を構成する６枚の金属基板４４，４５，４６，４７，４８，４９を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図１４では、後述する触媒担持層５１を省略している。

上記の６枚の金属基板４４，４５，４６，４７，４８，４９のうち、一方の最外層である金属基板４４はカバー部材として機能し、ほぼ中央に１列に３個の貫通孔４４Ｂを備えている。また、最外層に位置しない４枚の金属基板４５，４６，４７，４８と、最外層の金属基板４９は、それぞれ隔壁を介して配列された３列の溝部４５Ａ，４６Ａ，４７Ａ，４８Ａ，４９Ａを一方の面（金属基板４４側）に備えている。また、３枚の金属基板４５，４７，４９の各溝部４５Ａ，４７Ａ，４９Ａには、ほぼ中央部に１個の貫通孔４５Ｂ，４７Ｂ，４９Ｂがそれぞれ設けられている。一方、２枚の金属基板４６，４８の各溝部４６Ａ，４８Ａには、両端部に１個、計２個の貫通孔４６Ｂ，４８Ｂがそれぞれ設けられている。そして、３列の溝部４５Ａ，４６Ａ，４７Ａ，４８Ａ，４９Ａは、それぞれ貫通孔４５Ｂ，４６Ｂ，４７Ｂ，４８Ｂを介して積層方向に連通されている。したがって、金属基板４４の各貫通孔４４Ｂから、溝部４５Ａ→１個の貫通孔４５Ｂ→溝部４６Ａ→２個の貫通孔４６Ｂ→溝部４７Ａ→１個の貫通孔４７Ｂ→溝部４８Ａ→２個の貫通孔４８Ｂ→溝部４９Ａ→１個の貫通孔４９Ｂに至る集中・分離を繰り返すような流路４３が３本（４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ（図１３では流路４３Ａが示されている））形成されている。

また、上記の３本の流路４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃを構成する５枚の金属基板４５，４６，４７，４８，４９の各溝部４５Ａ，４６Ａ，４７Ａ，４８Ａ，４９Ａと、４枚の金属基板４５，４６，４７，４８の貫通孔４５Ｂ，４６Ｂ，４７Ｂ，４８Ｂの内壁面には、触媒担持層５１を介して触媒Ｃが担持されている。そして、金属基板４４の３個の貫通孔４４Ｂは、３本の流路４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの原料導入口５０ａであり、最外層の金属基板４９の３個の貫通孔４９Ｂは、３本の流路４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃのガス排出口５０ｂとなっている。

このような水素製造装置４１を構成する６枚の金属基板４４，４５，４６，４７，４８，４９は、上述の実施形態の金属基板４，６と同様の材料を使用することができる。また、金属基板４５，４６，４７，４８，４９の厚みは、水素製造装置４１の大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、必要とされる溝部４５Ａ，４６Ａ，４７Ａ，４８Ａ，４９Ａの大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、５０〜５０００μｍ程度の範囲で設定することができる。また、金属基板４４の厚みは、使用する材料等を考慮して適宜設定することができ、例えば、２０〜２０００μｍ程度の範囲で設定することができる。

この水素製造装置４１においても、触媒担持層５１はアルミナ皮膜であり、その表面積は流路４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの総見掛け表面積の５０倍以上、好ましくは１００〜１０００倍である。また、触媒担持層５１の厚みは、例えば、１０〜５０μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、触媒担持層９の表面積は、ＢＥＴ比表面積測定装置を用いて測定する。また、各流路４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの見掛け表面積とは、触媒担持層５１が存在しない状態での各流路４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの内壁面の面積とする。

このように、触媒担持層５１の表面積が流路４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの総見掛け表面積に比べて大きいので、担持される触媒Ｃの担持量が大きなものとなり、水素製造装置４１は、反応効率の向上とスペースの有効利用が可能なものとなる。また、アルミナ皮膜からなる触媒担持層５１は多孔構造であるため、金属基板４４，４５，４６，４７，４８，４９と触媒Ｃとの熱膨張率の違いによる熱歪を吸収することができ、触媒Ｃの脱落が防止され安定した触媒担持が可能となるので、水素製造装置４１は信頼性の高いものとなる。
触媒Ｃとしては、従来から水素製造に使用されているＣｕ−Ｚｎ系触媒、Ｐｔ系触媒等の公知の触媒を使用することができる。また、各流路４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ毎に任意の触媒を担持させることができる。
尚、上述の水素製造装置４１においても、接合体４２の所望の面に絶縁膜を介して発熱体と電極、発熱体保護層を配設することができる。

また、各流路４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの流体の流れ方向には制限はなく、流体の流れ方向が、図示例と逆に、基板４９から基板４４へ向かうものであってもよい。この場合、３個の原料導入口５０ａと、３個のガス排出口５０ｂとが逆となる。また、３個の原料導入口５０ａの位置、３個のガス排出口５０ｂの位置も図示例に限定されるものではない。
また、金属基板４４の表面（溝部４５Ａ側に露出している面）にも触媒担持層５１を介して触媒Ｃを担持してよく、さらに、各金属基板４５，４６，４７，４８の表面（溝部４６Ａ，４７Ａ，４８Ａ，４９Ａに露出している面）にも触媒担持層５１を介して触媒Ｃを担持してよい。これにより、触媒Ｃの担持量がさらに増大し、反応効率とスペースの有効利用が向上する。

（第５の実施形態）
図１５は、本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す図９、図１３相当の縦断面図である。図１５において、本発明の水素製造装置６１は、５枚の金属基板６４，６５，６６，６７，６８が積層接合された接合体６２を有している。また、図１６は、図１５に示される水素製造装置６１を構成する５枚の金属基板６４，６５，６６，６７，６８を離間させた状態を示す斜視図である。尚、図１６では、後述する触媒担持層７０を省略している。

上記の５枚の金属基板６４，６５，６６，６７，６８のうち、一方の最外層である金属基板６４はカバー部材として機能し、後述する金属基板６５の６個の溝部６５Ａに跨るような１個の溝部６４Ａと、略中央に１個の貫通孔６４Ｂを備えている。また、最外層に位置しない３枚の金属基板６５，６６，６７は、それぞれ６個の溝部６５Ａ，６６Ａ，６７Ａを一方の面（金属基板６４側）に備えている。一方、最外層の金属基板６８は、金属基板６４の溝部６４Ａに対応した１個の溝部６８Ａを一方の面（金属基板６４側）に備えている。また、３枚の金属基板６５，６６，６７の各溝部６５Ａ，６６Ａ，６７Ａには、貫通孔６５Ｂ，６６Ｂ，６７Ｂがそれぞれ設けられている。また、金属基板６８の溝部６８Ａには、１個の貫通孔６８Ｂが設けられている。そして、各溝部６５Ａ，６６Ａ，６７Ａ，６８Ａは、それぞれ複数の貫通孔６５Ｂ，６６Ｂ，６７Ｂを介して積層方向に連通されている。したがって、金属基板６４の１個の貫通孔６４Ｂから溝部６４Ａに入った後は、溝部６５Ａ→貫通孔６５Ｂ→溝部６６Ａ→貫通孔６６Ｂ→溝部６７Ａ→貫通孔６７Ｂ→溝部６８Ａに至る６個の独立した流路６３が形成されている。

また、上記の６個の独立した流路６３を構成する４枚の金属基板６５，６６，６７，６８の各溝部６５Ａ，６６Ａ，６７Ａ，６８Ａと、３枚の金属基板６５，６６，６７の貫通孔６５Ｂ，６６Ｂ，６７Ｂの内壁面には、触媒担持層７０を介して触媒Ｃが担持されている。そして、金属基板６４の１個の貫通孔６４Ｂは、流路６３の原料導入口６９ａであり、最外層の金属基板６８の１個の貫通孔６８Ｂは、流路６３のガス排出口６９ｂとなっている。

このような水素製造装置６１を構成する５枚の金属基板６４，６５，６６，６７，６８は、上述の実施形態の金属基板４，６と同様の材料を使用することができる。また、金属基板６５，６６，６７，６８の厚みは、水素製造装置６１の大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性、必要とされる溝部６５Ａ，６６Ａ，６７Ａ，６８Ａの大きさ等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、５０〜５０００μｍ程度の範囲で設定することができる。また、金属基板６４の厚みは、使用する材料、必要とされる溝部６４Ａの大きさ等を考慮して適宜設定することができ、例えば、５０〜２０００μｍ程度の範囲で設定することができる。

この水素製造装置６１においても、触媒担持層７０はアルミナ皮膜であり、その表面積は流路６３の見掛け表面積の５０倍以上、好ましくは１００〜１０００倍である。また、触媒担持層７０の厚みは、例えば、１０〜５０μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、触媒担持層９の表面積は、ＢＥＴ比表面積測定装置を用いて測定する。また、流路６３の見掛け表面積とは、触媒担持層７０が存在しない状態での流路６３の内壁面の面積とする。
このように、触媒担持層７０の表面積が流路６３の見掛け表面積に比べて大きいので、担持される触媒Ｃの担持量が大きなものとなり、水素製造装置６１は、反応効率の向上とスペースの有効利用が可能なものとなる。また、アルミナ皮膜からなる触媒担持層７０は多孔構造であるため、金属基板６４，６５，６６，６７，６８と触媒Ｃとの熱膨張率の違いによる熱歪を吸収することができ、触媒Ｃの脱落が防止され安定した触媒担持が可能となるので、水素製造装置６１は信頼性の高いものとなる。
触媒Ｃとしては、従来から水素製造に使用されているＣｕ−Ｚｎ系触媒、Ｐｔ系触媒等の公知の触媒を使用することができる。

尚、上述の水素製造装置６１においても、接合体６２の所望の面に絶縁膜を介して発熱体と電極、発熱体保護層を配設することができる。
また、流路６３の流体の流れ方向には制限はなく、図示例とは逆に、流体の流れ方向が基板６８から基板６４へ向かうものであってもよい。この場合、原料導入口６９ａとガス排出口６９ｂとが逆となる。また、原料導入口６９ａの位置、ガス排出口６９ｂの位置も図示例に限定されるものではない。
また、金属基板６４の溝部６４Ａにも触媒担持層７０を介して触媒Ｃを担持してよく、さらに、各金属基板６５，６６，６７の表面（溝部６６Ａ，６７Ａ，６８Ａに露出している面）にも触媒担持層７０を介して触媒Ｃを担持してよい。これにより、触媒Ｃの担持量がさらに増大し、反応効率とスペースの有効利用が向上する。
また、図１５，１６の例では、独立した流路６３が６個存在するものであるが、各金属基板６５，６６，６７に形成する溝部６５Ａ，６６Ａ，６７Ａの数を増やすことにより、更に多数の流路を形成してもよい。
尚、上述の水素製造装置の各実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。

［水素製造装置の製造方法］
（第１の実施態様）
図１７および図１８は本発明の水素製造装置製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。図１７、図１８では、上述の水素製造装置１を例にして説明する。
本発明の製造方法では、まず、溝部形成工程において、金属基板４の一方の面４ａに微細溝部５を形成し、金属基板６の一方の面６ａに微細溝部７を形成する（図１７（Ａ））。この微細溝部５，７は、金属基板４，６の面４ａ，６ａに所定の開口パターンを有するレジストパターン８１，８２を形成し、このレジストパターン８１，８２をマスクとしてウエットエッチングにより金属基板４，６をエッチングして形成することができ、マイクロマシーンによる加工を不要とすることができる。

金属基板４，６は、形成される微細溝部５と微細溝部７のパターン形状が、金属基板４，６の接合面（４ａ，６ａ）に対して対称関係にある１組の金属基板をなす。また、微細溝部５，７は、断面が円弧形状ないし半円形状、あるいは、Ｕ字形状とすることができる。使用する金属基板４，６の材質は、微細溝部５，７に直接触媒Ｃを担持しないので、微細溝部５，７の精密加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、チタン基板、鉄基板、鉄合金基板等であってよい。

次に、触媒担持層形成工程において、上記のレジストパターン８１，８２を介して、金属基板４，６の接合面４ａ，６ａ（微細溝部５，７が形成されている面）にアルミナ溶射を行って触媒担持層９を形成する（図１７（Ｂ））。その後、レジストパターン８１，８２を除去するとともに、不要な触媒担持層９をリフトオフして除去し、微細溝部５，７内にのみ触媒担持層９を形成する（図１７（Ｃ））。
アルミナ溶射は、例えば、プラズマスプレー法（高温のプラズマを利用し、アルミナ溶射粉末を溶融して基材表面にスプレーコートする）により行うことができる。このように形成された触媒担持層９は、通常、比表面積が１０ｍ²／ｇ以上であり、大きな触媒担持能を有する。このような触媒担持層９の厚みは、例えば、１０〜５０μｍの範囲で設定することができる。また、上述のように、レジストパターン８１，８２の除去と同時に、不要な触媒担持層９がリフトオフされるので、金属基板４，６において清浄な接合面が確保されることとなる。

尚、溝部形成工程後、触媒担持層を形成する前に、微細溝部５，７の壁面を粗面化処理する表面処理工程を設定してもよい。この表面処理工程は、例えば、サンドブラスト処理、エッチング処理および粗面化めっき処理のいずれかとすることができ、粗面化の程度は、例えば、平均表面粗さＲａが０．２〜２．０μｍの範囲内となるように設定することができる。
また、上記のレジストパターン８１，８２が耐溶射性を備えていない場合は、溝部形成工程後にレジストパターン８１，８２を除去し、微細溝部５，７に対応した開口部を有するメタルマスクを介してアルミナ溶射を行うことができる。また、レジストパターン８１，８２を除去した後、金属基板４，６の微細溝部５，７が形成されていない部位に、耐溶射性を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してアルミナ溶射を行うこともできる。いずれの場合も、不要な触媒担持層９がリフトオフされるので、金属基板４，６において清浄な接合面が確保されることとなる。

次に、接合工程において、１組の金属基板４，６を、微細溝部５と微細溝部７とが対向するように、面４ａ，６ａで接合して接合体２を形成する（図１８（Ａ））。
上記のように、微細溝部５と微細溝部７は、金属基板４，６の接合面（４ａ，６ａ）に対して対称関係にあるパターン形状であるため、金属基板４，６の接合により、微細溝部５と微細溝部７が完全に対向してトンネル状流路３が形成される。このトンネル状流路３の流体の流れ方向に垂直な断面における内壁面の形状は略円形状であり、内壁面の全面に触媒担持層９を備えたものとなる。上記の金属基板４，６の接合は、例えば、ステンレス基板を使用する場合には拡散接合が行え、銅基板等を使用する場合にはレーザー溶接、抵抗溶接、ロウ付け等により行うことができる。

次いで、触媒担持工程において、トンネル状流路３の内壁面の触媒担持層９に触媒Ｃを担持することにより、水素製造装置１が得られる（図１８（Ｂ））。触媒担持層９への触媒Ｃの担持は、例えば、触媒懸濁液を接合体２のトンネル状流路３内に流して充填し、あるいは、触媒懸濁液内に接合体２を浸漬し、その後、触媒懸濁液をトンネル状流路３から抜いて乾燥することにより行うことができる。尚、上記の乾燥時に、振動あるいは回転を接合体２に与えることにより、より均一な触媒担持が可能となる。
また、図５に示される水素製造装置１１の製造は、一方の金属基板として、微細溝部を形成しない金属基板１６を使用する他は、上述の実施形態と同様に行うことができる。

尚、図６に示されるように、金属基板４上に絶縁膜２１、発熱体２２、電極２３，２３、発熱体保護層２４を形成する場合は、まず、金属基板４上に絶縁膜２１を介して発熱体２２を設け、さらに、通電用の電極２３，２３を形成する。
絶縁膜２１は、例えば、接合体２を外部電極の陽極に接続した状態で陽極酸化溶液に浸漬し、陰極と対向させ通電して陽極酸化することにより形成することができる。また、ポリイミド樹脂膜の形成、セラミック（Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂）膜の形成により絶縁膜２１としてもよい。

発熱体２２は、カーボンペースト、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金）、Ｗ、Ｍｏ等の材質を使用して形成することができる。発熱体２２の形成方法としては、上記の材料を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により形成する方法、上記の材料を含有するペーストを用いて塗布膜を形成し、その後、エッチング等によりパターニングする方法、上記材料を用いて真空成膜法により薄膜を形成し、その後、エッチング等によりパターニングする方法等を挙げることができる。また、通電用の電極２３，２３は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｇ等の導電材料を用いて形成することができ、例えば、上記の導電材料を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により形成することができる。
次いで、電極２３，２３が露出するように発熱体保護層２４を発熱体２２上に形成する。発熱体保護層２４は、ポリイミド、セラミック（Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂）等の材料を用いて形成することができ、例えば、上記材料を含有するペーストを用いてスクリーン印刷により電極開口部２４ａ，２４ａを有するパターンで形成することができる。

（第２の実施態様）
図１９および図２０は本発明の水素製造装置製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。図１９、図２０では、上述の水素製造装置３１を例にして説明する。
本発明の製造方法では、まず、溝部・貫通孔形成工程において、金属基板３５の一方の面３５ａに３列の溝部３５Ａを形成するためのレジストパターン９１を形成し、他方の面３５ｂには３個の貫通孔３５Ｂを形成するためのレジストパターン９２を形成する（図１９（Ａ））。次いで、このレジストパターン９１，９２をマスクとして両面からウエットエッチングにより金属基板３５をエッチングして、３列の溝部３５Ａを形成するとともに、各溝部３５Ａ内に１個の貫通孔３５Ｂを形成する（図１９（Ｂ））。使用する金属基板３５の材質は、溝部３５Ａや貫通孔３５Ｂに直接触媒Ｃを担持しないので、溝部や貫通孔の精密加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、チタン基板、鉄基板、鉄合金基板等であってよい。

次に、触媒担持層形成工程において、上記のレジストパターン９１，９２を介して、金属基板３５の溝部３５Ａ形成面側からアルミナ溶射を行って触媒担持層４０を形成する（図１９（Ｃ））。その後、レジストパターン９１，９２を除去するとともに、不要な触媒担持層９をリフトオフして除去し、３列の溝部３５Ａと各貫通孔３５Ｂにのみ触媒担持層４０を形成する（図１９（Ｄ））。アルミナ溶射は上述の実施形態と同様に行うことができ、このように形成された触媒担持層４０は、通常、比表面積が１０ｍ²／ｇ以上であり、大きな触媒担持能を有する。このような触媒担持層４０の厚みは、例えば、１０〜５０μｍの範囲で設定することができる。また、上述のように、レジストパターン９１，９２の除去と同時に、不要な触媒担持層４０がリフトオフされるので、金属基板３５において清浄な接合面が確保されることとなる。

尚、溝部・貫通孔形成工程後、触媒担持層を形成する前に、３列の溝部３５Ａと各貫通孔３５Ｂの壁面を粗面化する表面処理工程を設定してもよい。この表面処理工程は、上述の実施形態で説明したように行うことができる。
また、上記のレジストパターン９１，９２が耐溶射性を備えていない場合は、溝部・貫通孔形成工程後にレジストパターン９１，９２を除去し、溝部３５Ａに対応した開口部を有するメタルマスクを介してアルミナ溶射を行うことができる。また、レジストパターン９１，９２を除去した後、金属基板３５の表面３５ａのうち、溝部３５Ａが形成されていない部位に耐溶射性を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してアルミナ溶射を行うこともできる。いずれの場合も、不要な触媒担持層４０がリフトオフされるので、金属基板３５において清浄な接合面が確保されることとなる。

以上の操作を各金属基板３６，３７，３８に対して行って、それぞれ３列の溝部３６Ａ，３７Ａ，３８Ａと、各溝部内に貫通孔３６Ｂ，３７Ｂ，３８Ｂを形成し、その後、触媒担持層４０を形成する。また、最外層となる金属基板３８では、ドリル研磨等により貫通孔３８Ｂを所望の直径のガス排出口３９ｂとする。この際、貫通孔３８Ｂに形成されたアルミナ溶射膜４０は除去される。また、金属基板３４に対しては、３個の貫通孔３４Ｂを形成する。これにより、水素製造装置３１を構成する５枚の金属基板３４，３５，３６，３７，３８を得る（図２０（Ａ））。尚、最外層となる金属基板３８に対して貫通孔３８Ｂを形成せずに溝部３８Ａのみを形成し、触媒担持層４０を溝部３８Ａ内に形成した後、ドリル研磨等により所望の直径の貫通孔３８Ｂを形成してガス排出口３９ｂとしてもよい。

次に、接合工程において、５枚の金属基板３４，３５，３６，３７，３８を、溝部形成面が金属基板３４側となるように積層接合して接合体３２を形成する（図２０（Ｂ））。この接合体３２では、金属基板３４の貫通孔３４Ｂから、溝部３５Ａ→貫通孔３５Ｂ→溝部３６Ａ→貫通孔３６Ｂ→溝部３７Ａ→貫通孔３７Ｂ→溝部３８Ａ→貫通孔３８Ｂに至るジグザグ形状の流路３３が３本形成される。上記の金属基板３４，３５，３６，３７，３８の接合は、例えば、ステンレス基板を使用する場合には拡散接合が行え、銅基板等を使用する場合にはレーザー溶接、抵抗溶接、ロウ付け等により行うことができる。

次いで、触媒担持工程において、流路３３の内壁面の触媒担持層４０に触媒Ｃを担持することにより、水素製造装置３１（図８〜図１１参照）が得られる。触媒担持層４０への触媒Ｃの担持は、例えば、触媒懸濁液を接合体３２の流路３３内に流して充填し、あるいは、触媒懸濁液内に接合体３２を浸漬し、その後、触媒懸濁液を流路３３から抜いて乾燥することにより行うことができる。尚、上記の乾燥時に、振動あるいは回転を接合体３２に与えることにより、より均一な触媒担持が可能となる。

尚、接合体３２の所望の面に絶縁膜を介して発熱体、電極、発熱体保護層を形成する場合は、上述の実施形態と同様に行うことができる。
また、基板３４の表面（溝部３５Ａ側に露出している面）にも触媒担持層４０を形成する場合には、貫通孔３４Ｂを形成した後、一方の面（積層時に溝部３５Ａ側に露出する面）のレジストパターンを除去し、この面に、触媒担持層４０を形成する領域に相当した開口部をもつレジストパターンを形成してアルミナ溶射を行うことができる。また、各基板３５，３６，３７の表面（溝部３６Ａ，３７Ａ，３８Ａに露出している面）に触媒担持層４０を形成する場合も同様である。
また、図１２〜図１４に示される水素製造装置４１の製造、図１５および図１６に示される水素製造装置６１の製造も、形成する溝部の個数、形状、貫通孔の個数、形成位置を適宜設定する他は、上記の操作と同様に行うことができる。

上述のような水素製造装置の製造方法では、接合体を形成する前の基板状態で触媒担持層を微細溝部内にのみ、あるいは、溝部と貫通孔内にのみアルミナ溶射により形成するので、均一な触媒担持層の形成を容易に行うことができる。また、金属基板の接合面の清浄性を確保することができ、高い強度の接合が可能となる。さらに、アルミナ溶射で形成した触媒担持層が大きな比表面積を有するので、触媒担持工程において触媒を均一、かつ大量に担持させることができる。
尚、上述の水素製造装置製造方法の各実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。

次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
（溝部形成工程）
金属基板として厚み１０００μｍのＳＵＳ３０４基板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）を準備し、このＳＵＳ３０４基板の両面に感光性レジスト材料（東京応化工業（株）製ＯＦＰＲ）をディップ法により塗布（膜厚７μｍ（乾燥時））した。次に、ＳＵＳ３０４基板の微細溝部を形成する側のレジスト塗膜上に、幅１５００μｍのストライプ状の遮光部がピッチ２０００μｍで左右から交互に突出（突出長２０ｍｍ）した形状のフォトマスクを配した。また、上記と同様のＳＵＳ３０４基板を準備し、同様に感光性レジスト材料を塗布し、ＳＵＳ３０４基板の微細溝部を形成する側のレジスト塗膜上に、フォトマスクを配した。このフォトマスクは、ＳＵＳ３０４基板面に対して、上記のフォトマスクと面対称となるものとした。

次いで、上記の１組のＳＵＳ３０４基板について、それぞれフォトマスクを介してレジスト塗布膜を露光し、炭酸水素ナトリウム溶液を使用して現像した。これにより、各ＳＵＳ３０４基板の一方の面には、幅５００μｍのストライプ状の開口部がピッチ２０００μｍで配列され、隣接するストライプ状の開口部が、その端部において交互に連続するようなレジストパターンが形成された。
次に、上記のレジストパターンをマスクとして、下記の条件でＳＵＳ３０４基板をエッチング（３分間）した。
（エッチング条件）
・温度 ： ５０℃
・エッチング液（塩化第二鉄溶液） 比重濃度： ４５ボーメ（°B’e）

これにより、１組のＳＵＳ３０４基板は、その一方の面に、幅１０００μｍ、深さ６５０μｍ、長さ２０ｍｍのストライプ形状の微細溝が２０００μｍのピッチで形成され、隣接する微細溝の端部において交互に連続するような形状（図３に示されるような１８０度折り返しながら蛇行して連続する形状）の微細溝部（流路長２２０ｍｍ）が形成された。この微細溝部の流体の流れ方向に垂直な断面における内壁面の形状は略半円形状であった。

（触媒担持層形成工程）
上述のように微細溝部が形成された１組のＳＵＳ３０４基板の微細溝部形成面に対して、プラズマスプレー法によりアルミナ溶射を行った。
次いで、水酸化ナトリウム溶液を用いてレジストパターンを除去し、水洗した。このレジストパターン除去により、不要なアルミナ溶射膜がリフトオフされ、微細溝部内にのみアルミナ溶射膜からなる触媒担持層（厚み３０μｍ）が形成された。この触媒担持層の表面積をＢＥＴ比表面積測定装置を用いて測定した結果、０．４ｍ²であった。

（接合工程）
次いで、上記の１組のＳＵＳ３０４基板を、互いの微細溝部が対向するように下記の条件で拡散接合して接合体を作製した。この接合では、１組の基板の微細溝部どうしが完全に対向するように位置合わせをした。これにより、接合体の一端面に原料導入口とガス排出口とが存在するトンネル状流路が接合体内に形成された。
（拡散接合条件）
・雰囲気 ：真空中
・接合温度 ：１０００℃
・接合時間 ：１２時間
上記のトンネル状流路の見掛け表面積を、流路断面の外周長Ｌ１を１．９２ｍｍ、流路長Ｌ２を２２０ｍｍとして計算すると、４．２×１０^-4ｍ²であった。したがって、上記の触媒担持層の表面積（０．４ｍ²）は、トンネル状流路の見掛け表面積の１０００倍であった。

（触媒担持工程）
次に、接合体の流路内に下記組成の触媒懸濁液を充填して放置（１５分間）し、その後、触媒懸濁液を抜き、１２０℃、３時間の乾燥還元処理を施して、流路内全面に触媒を担持させた。
（触媒懸濁液の組成）
・Ａｌ … ４１．２重量％
・Ｃｕ … ２．６重量％
・Ｚｎ … ２．８重量％

次に、上記の接合体を構成する一方のＳＵＳ３０４基板上に、絶縁膜用塗布液としてポリイミド前駆体溶液（東レ（株）製フォトニース）をスクリーン印刷により印刷し、３５０℃で硬化させて厚み２０μｍの絶縁膜を形成した。次いで、この絶縁膜上に下記組成の発熱体用ペーストをスクリーン印刷により印刷し、２００℃で硬化させて発熱体を形成した。形成した発熱体は、幅１００μｍの細線を、微細溝部が形成されている領域に相当する領域（２０ｍｍ×２０ｍｍ）全面を覆うようにＳＵＳ３０４基板上に線間隔１００μｍで引き回したような形状とした。
（発熱体用ペーストの組成）
・カーボン粉末 … ２０重量部
・微粉末シリカ … ２５重量部
・キシレンフェノール樹脂 … ３６重量部
・ブチルカルビトール … １９重量部

また、下記組成の電極用ペーストを用いて、スクリーン印刷により発熱体の所定の２ヶ所に電極（０．５ｍｍ×０．５ｍｍ）を形成した。
（電極用ペーストの組成）
・銀めっき銅粉末 … ９０重量部
・フェノール樹脂 … ６．５重量部
・ブチルカルビトール … ３．５重量部

次に、発熱体上に形成された２個の電極を露出するように、下記組成の保護層用ペーストを用いて、スクリーン印刷により発熱体保護層（厚み２０μｍ）を発熱体上に形成した。
（保護層用ペーストの組成）
・樹脂分濃度 … ３０重量部
・シリカフィラー … １０重量部
・ラクトン系溶剤（ペンタ１−４−ラクトン） … ６０重量部
これにより、本発明の水素製造装置を得ることができた。

［実施例２］
（溝部・貫通孔形成工程）
金属基板として厚み１０００μｍのＳＵＳ３０４基板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）を４枚準備し、これらのＳＵＳ３０４基板の両面に感光性レジスト材料（東京応化工業（株）製ＯＦＰＲ）をディップ法により塗布（膜厚７μｍ（乾燥時））した。次に、各ＳＵＳ３０４基板の溝部を形成する面のレジスト塗膜上に、長方形状（６ｍｍ×２０ｍｍ）の遮光部を７ｍｍピッチで３列備えたフォトマスクを配した。また、各ＳＵＳ３０４基板の反対面のレジスト塗膜上に、直径４ｍｍの円形遮光部を７ｍｍピッチで３個備えたフォトマスクを配した。次いで、このフォトマスクを介してレジスト塗布膜を露光し、炭酸水素ナトリウム溶液を使用して現像した。これにより、各ＳＵＳ３０４基板の一方の面には、長方形状（６ｍｍ×２０ｍｍ）の開口部が７ｍピッチで３列に配列され、反対面には、直径４ｍｍの円形開口部が７ｍｍピッチで３個配列され、各円形開口部は、ＳＵＳ３０４基板を介して各長方形状の開口部の同一方向の端部に位置するようなレジストパターンが形成された。

次に、上記のレジストパターンをマスクとして、下記の条件で各ＳＵＳ３０４基板を両面からエッチング（３分間）した。
（エッチング条件）
・温度 ： ５０℃
・エッチング液（塩化第二鉄溶液） 比重濃度： ４５ボーメ（°B’e）
これにより、各ＳＵＳ３０４基板の一方の面には、開口部が長方形状（６ｍｍ×２０ｍｍ）で、深さが７５０μｍである溝部が７ｍｍピッチで３列形成され、他方の面には、開口部の直径が４ｍｍであり、上記の溝部の端部に直径３．５ｍｍの開口端をもつ貫通孔が７ｍｍピッチで３個形成された。

（触媒担持層形成工程）
上述のように溝部と貫通孔が形成された４枚のＳＵＳ３０４基板の溝部形成面に対して、プラズマスプレー法によりアルミナ溶射を行った。
次いで、水酸化ナトリウム溶液を用いてレジストパターンを除去し、水洗した。このレジストパターン除去により、不要なアルミナ溶射膜がリフトオフされ、溝部内と貫通孔内にのみアルミナ溶射膜からなる触媒担持層（厚み３０μｍ）が形成された。この４枚のＳＵＳ３０４基板の触媒担持層の表面積をＢＥＴ比表面積測定装置を用いて測定した結果、３．３ｍ²であった。尚、最外層となるＳＵＳ３０４基板の貫通孔をドリル研磨して、アルミナ溶射膜を除去するとともに、開口径４ｍｍのストレート形状の貫通孔を形成した。

（接合工程）
カバー部材として厚み１００μｍのＳＵＳ３０４基板を準備し、このＳＵＳ３０４基板に、レジストパターン形成と片面からのエッチングにより３個の貫通孔を形成した。この貫通孔は、一方の開口直径が４ｍｍ、他方の開口直径が３．５ｍｍであり、形成ピッチが７ｍｍであった。
次に、上記の４枚のＳＵＳ３０４基板を、溝部形成面側を同じ方向とし、貫通孔が交互に他端側となるように積層し位置合わせをした。また、一番上のＳＵＳ３０４基板の溝部を覆い、かつ、貫通孔が他端側となるように、上記のカバー部材としてのＳＵＳ３０４基板を積層し位置合わせをした（図２０参照）。

次いで、下記の条件で拡散接合して接合体を作製した。
（拡散接合条件）
・雰囲気 ：真空中
・接合温度 ：１０００℃
・接合時間 ：１２時間
これにより、接合体の最外層のＳＵＳ基板（厚み１００μｍ）に３個の原料導入口が存在し、接合体の反対側の最外層であるＳＵＳ３０４基板（厚み１０００μｍ）に３個のガス排出口が存在し、積層方向にジグザグ形状である３本の流路が接合体内に形成された。この３本の流路の総見掛けの表面積（触媒担持層が存在しない状態）は８．２２×１０^-4ｍ²（接合体の流路の総見掛けの表面積は４×８．２２×１０^-4ｍ²（＝３２．９×１０^-4ｍ²））であり、４枚のＳＵＳ３０４基板の触媒担持層の表面積（３．３ｍ²）は、この見掛け表面積の１０００倍であった。

（触媒担持工程）
次に、接合体の流路内に下記組成の触媒懸濁液を充填して放置（１５分間）し、その後、触媒懸濁液を抜き、１２０℃、３時間の乾燥還元処理を施して、流路内全面に触媒を担持させた。
（触媒懸濁液の組成）
・Ａｌ … ４１．２重量％
・Ｃｕ … ２．６重量％
・Ｚｎ … ２．８重量％
これにより、本発明の水素製造装置を得ることができた。

本発明は、メタノールの改質、一酸化炭素の酸化除去等の反応からなる水素製造の用途に利用することができる。

本発明の水素製造装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示される水素製造装置のＡ−Ａ線における拡大縦断面図である。 図１に示される水素製造装置を構成する金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。 本発明の水素製造装置の他の実施形態を構成する金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。 本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す図２相当の縦断面図である。 本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す図２相当の縦断面図である。 本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す図２相当の縦断面図である。 本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す斜視図である。 図８に示される水素製造装置のＢ−Ｂ線における拡大縦断面図である。 図８に示される水素製造装置のＣ−Ｃ線における拡大縦断面図である。 図８に示される水素製造装置を構成する５枚の金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。 本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す斜視図である。 図１２に示される水素製造装置のＤ−Ｄ線における拡大縦断面図である。 図１２に示される水素製造装置を構成する６枚の金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。 本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す図９相当の縦断面図である。 図１５に示される水素製造装置を構成する５枚の金属基板を離間させた状態を示す斜視図である。 本発明の水素製造装置製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。 本発明の水素製造装置製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。 本発明の水素製造装置製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。 本発明の水素製造装置製造方法の他の実施形態を説明するための工程図である。

符号の説明

１，１′，１１，１１′，３１，４１，６１…水素製造装置
２，１２，３２，４２，６２…接合体
３，１３…トンネル状流路
４，６，１４，１６，３４，３５，３６，３７，３８，４４，４５，４６，４７，４８，４９，６４，６５，６６，６７，６８…金属基板
５，７，５ｃ，５ｄ，７ｃ，７ｄ，１５…微細溝部
８ａ，１８ａ，３９ａ，５０ａ，６９ａ…原料導入口
８ｂ，１８ｂ，３９ｂ，５０ｂ，６９ｂ…ガス排出口
９，１９，４０，５１，７０…触媒担持層
３３（３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ），４３（４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ），６３…流路
３５Ａ，３６Ａ，３７Ａ，３８Ａ，４５Ａ，４６Ａ，４７Ａ，４８Ａ，４９Ａ，６５Ａ，６６Ａ，６７Ａ，６８Ａ…溝部
３５Ｂ，３６Ｂ，３７Ｂ，３８Ｂ，４５Ｂ，４６Ｂ，４７Ｂ，４８Ｂ，４９Ｂ，６５Ｂ，６６Ｂ，６７Ｂ，６８Ｂ…貫通孔
２１…絶縁膜
２２…発熱体
２３…電極
２４…発熱体保護層
Ｃ…触媒

Claims (19)

1. １組の金属基板が接合された接合体と、前記１組の金属基板の少なくとも一方の金属基板の接合面に形成された微細溝部で構成されたトンネル状流路と、該トンネル状流路が接合体のいずれかの面に露出してなる原料導入口およびガス排出口と、前記トンネル状流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、前記触媒担持層はアルミナ皮膜であり、かつ、表面積が前記トンネル状流路の見掛け表面積の５０倍以上であることを特徴とする水素製造装置。
2. ３枚以上の金属基板が積層接合された接合体と、該接合体の内部に形成された流路と、該流路が接合体のいずれかの面に露出してなる原料導入口およびガス排出口と、前記流路に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒とを備え、少なくとも最外層に位置しない前記金属基板は少なくとも一方の接合面に形成された溝部と、該溝部に形成された貫通孔とを有し、前記溝部と前記貫通孔により前記流路が構成され、前記触媒担持層はアルミナ皮膜であり、かつ、表面積が前記流路の見掛け表面積の５０倍以上であることを特徴とする水素製造装置。
3. 前記溝部は隔壁を介して複数形成されていることを特徴とする請求項２に記載の水素製造装置。
4. 前記溝部に形成された貫通孔は複数であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の水素製造装置。
5. 前記接合体は、絶縁膜を介して発熱体を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の水素製造装置。
6. 前記金属基板はステンレス基板であり、前記接合体はステンレス基板が拡散接合されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の水素製造装置。
7. 接合体を構成するための１組の金属基板の少なくとも一方の金属基板の片面に微細溝部を形成する溝部形成工程と、
   アルミナ溶射を行って前記微細溝部内にのみアルミナ皮膜を成膜して触媒担持層とする触媒担持層形成工程と、
   前記１組の金属基板を接合して、前記微細溝部で構成されたトンネル状流路を内部に備え、該トンネル状流路の開口端が原料導入口とガス排出口をなす接合体を形成する接合工程と、
   前記トンネル状流路内の前記触媒担持層に触媒を担持する触媒担持工程と、を有することを特徴とする水素製造装置の製造方法。
8. 前記溝部形成工程と前記触媒担持層形成工程との間に、前記微細溝部の壁面を粗面化する表面処理工程を有することを特徴とする請求項７に記載の水素製造装置の製造方法。
9. 前記表面処理工程は、サンドブラスト処理、エッチング処理および粗面化めっき処理のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の水素製造装置の製造方法。
10. 前記触媒担持層形成工程では、前記微細溝部に対応した開口部を有するメタルマスクを介してアルミナ溶射を行って前記微細溝部内にのみ触媒担持層を形成することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の水素製造装置の製造方法。
11. 前記溝部形成工程では、レジストパターンを介して前記金属基板にサンドブラスト処理またはエッチング処理を施して微細溝部を形成し、前記触媒担持層形成工程では、前記レジストパターンを介してアルミナ溶射を行い、その後、レジストパターンを除去して不要なアルミナ皮膜をリフトオフすることにより前記微細溝部内にのみ触媒担持層を形成することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の水素製造装置の製造方法。
12. 前記溝部形成工程では、レジストパターンを介して前記金属基板にサンドブラスト処理またはエッチング処理を施して微細溝部を形成し、前記触媒担持層形成工程では、金属基板の微細溝部非形成部位に耐溶射性のレジストパターンを形成し、該レジストパターンを介してアルミナ溶射を行い、その後、レジストパターンを除去して不要なアルミナ皮膜をリフトオフすることにより前記微細溝部内にのみ触媒担持層を形成することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の水素製造装置の製造方法。
13. 接合体を構成するための複数の金属基板の全て、または、最外層に配設される１枚を除いた金属基板に対して、その少なくとも片面に、溝部と該溝部内に位置する貫通孔とを形成する溝部・貫通孔形成工程と、
    アルミナ溶射を行って前記溝部内と前記貫通孔内にのみアルミナ皮膜を成膜して触媒担持層とする触媒担持層形成工程と、
    前記複数の金属基板を接合して、前記溝部と前記貫通孔で構成された流路を内部に備え、該流路の開口端が原料導入口とガス排出口をなす接合体を形成する接合工程と、
    前記流路内の前記触媒担持層に触媒を担持する触媒担持工程と、を有することを特徴とする水素製造装置の製造方法。
14. 前記溝部・貫通孔形成工程と前記触媒担持層形成工程との間に、前記溝部と前記貫通孔の壁面を粗面化する表面処理工程を有することを特徴とする請求項１３に記載の水素製造装置の製造方法。
15. 前記表面処理工程は、サンドブラスト処理、エッチング処理および粗面化めっき処理のいずれかであることを特徴とする請求項１４に記載の水素製造装置の製造方法。
16. 前記触媒担持層形成工程では、前記溝部に対応した開口部を有するメタルマスクを介してアルミナ溶射を行って前記溝部内と前記貫通孔内にのみ触媒担持層を形成することを特徴とする請求項１３乃至請求項１５のいずれかに記載の水素製造装置の製造方法。
17. 前記溝部・貫通孔形成工程では、レジストパターンを介して前記金属基板にサンドブラスト処理またはエッチング処理を施して溝部と貫通孔を形成し、前記触媒担持層形成工程では、前記レジストパターンを介してアルミナ溶射を行い、その後、レジストパターンを除去して不要なアルミナ皮膜をリフトオフすることにより前記溝部内と前記貫通孔内にのみ触媒担持層を形成することを特徴とする請求項１３乃至請求項１５のいずれかに記載の水素製造装置の製造方法。
18. 前記溝部・貫通孔形成工程では、レジストパターンを介して前記金属基板にサンドブラスト処理またはエッチング処理を施して溝部と貫通孔を形成し、前記触媒担持層形成工程では、金属基板の溝部非形成部位に耐溶射性のレジストパターンを形成し、該レジストパターンを介してアルミナ溶射を行い、その後、レジストパターンを除去して不要なアルミナ皮膜をリフトオフすることにより前記溝部内と前記貫通孔内にのみ触媒担持層を形成することを特徴とする請求項１３乃至請求項１５のいずれかに記載の水素製造装置の製造方法。
19. 前記金属基板としてステンレス基板を使用し、前記接合工程では拡散接合を行うことを特徴とする請求項７乃至請求項１８のいずれかに記載の水素製造装置の製造方法。

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