專利名稱：化學(xué)微反應(yīng)器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)反應(yīng)器，特別是化學(xué)微反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
多孔膜反應(yīng)器通常使用塊狀多孔介質(zhì)，其被固定在用于輸送化學(xué)物質(zhì)的不銹鋼管的端部。對于蒸汽重整含氫燃料的應(yīng)用，催化劑被引入多孔膜中，并且在氣體被輸送到多孔膜時(shí)整個(gè)裝置被加熱。盡管據(jù)報(bào)道甲醇的蒸汽重整溫度為350℃，但由于反應(yīng)器不能與外界環(huán)境適宜地?zé)峤粨Q，因此操作溫度通常會高達(dá)例如500℃至700℃。
德國專利申請DE 1998-19825102中公開了一種制造催化型微反應(yīng)器的方法，其包括“將催化劑放入反應(yīng)空間中”。該微反應(yīng)器可以被用于碳?xì)浠衔锏恼羝卣虿糠盅趸?，以產(chǎn)生用于燃料電池的氫氣。
Srinivasan等在《美國化學(xué)工程師協(xié)會志》(AIChE Journal)(1997)，43(11)，3059-3069中公開了一種化學(xué)反應(yīng)器的基于硅的微加工方法，該化學(xué)反應(yīng)器具有亞毫米級流道，流道中帶有集成加熱器以及流量傳感器和溫度傳感器。該文中討論了該反應(yīng)器的潛在用途以及各種操作條件的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種微反應(yīng)器，其包括位于一個(gè)基板中的至少一個(gè)蝕刻微通道結(jié)構(gòu)，其具有至少一個(gè)進(jìn)口和至少一個(gè)排口；至少一個(gè)集成加熱器；以及位于所述進(jìn)口和所述排口之間的至少一個(gè)催化劑材料。
所述的微反應(yīng)器，還包括位于所述進(jìn)口和所述排口之間的至少一個(gè)多孔膜。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述催化劑材料選自下面一組鉑，鉑釕合金，鎳，鈀，銅，氧化銅，二氧化鈰，氧化鋅，氧化鋁，它們的組合，以及它們的合金。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述集成加熱器是電阻加熱器。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述集成加熱器是微燃燒加熱器。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述排口連接著一個(gè)燃料電池的歧管。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括位于所述進(jìn)口和所述排口之間的所述多個(gè)催化劑材料填裝在所述微通道中。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括位于所述進(jìn)口和所述排口之間的所述催化劑材料嵌入所述多孔膜中。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括，所述進(jìn)口連接著一個(gè)液體化學(xué)物質(zhì)容器。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述毛細(xì)微通道與所述多孔膜相接，以使燃料流沿水平方向從所述進(jìn)口流經(jīng)所述微通道，并沿豎直方向從所述微通道流經(jīng)所述排口。
所述的微反應(yīng)器，還包括一個(gè)催化燃燒微流動(dòng)熱源。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述基板的材料選擇下面一組硅，玻璃和陶瓷。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述加熱器集成在所述進(jìn)口處。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述加熱器沿所述微通道集成。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括，所述加熱器集成在所述多孔膜處。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述多孔膜包括多孔的厚膜，其材料選自下面一組多孔硅，陽極氧化鋁，干凝膠，玻璃，以及它們的組合。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述催化劑材料覆蓋著多孔膜的表面，催化劑材料覆蓋的表面面積與多孔膜的體積之間的比值為大約1m2/cm3或以上。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述毛細(xì)微通道支持大約1微升/分鐘至大約600微升/分鐘范圍內(nèi)的燃料流率。
所述的微反應(yīng)器，還包括一個(gè)位于所述多孔膜的排出側(cè)的多孔收氣結(jié)構(gòu)。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述收氣結(jié)構(gòu)的表面積和體積之間的比值為大約1m2/cm3或以上。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述微反應(yīng)器具有用于將一種以上的液體燃料成分處理成氫燃料的裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種微反應(yīng)器，其包括一個(gè)頂部基板和一個(gè)底部基板，至少一個(gè)毛細(xì)微通道容納在所述頂部基板和所述底部基板之間，所述毛細(xì)微通道具有至少一個(gè)進(jìn)口和至少一個(gè)排口；位于所述進(jìn)口和所述排口之間的多個(gè)催化劑材料；位于所述排口處的至少一個(gè)多孔膜；以及至少一個(gè)集成加熱器。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括位于所述進(jìn)口和所述排口之間的所述多個(gè)催化劑材料填裝在所述微通道中。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括位于所述進(jìn)口和所述排口之間的所述催化劑材料嵌入所述多孔膜中。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述毛細(xì)微通道與所述多孔膜相接，以使燃料流沿水平方向從所述進(jìn)口流經(jīng)所述微通道，并沿豎直方向從所述微通道流經(jīng)所述排口。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述排口連接著一個(gè)燃料電池的歧管。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述催化劑材料選自下面一組鉑，鉑釕合金，鎳，鈀，銅，氧化銅，二氧化鈰，氧化鋅，氧化鋁，它們的組合，以及它們的合金。
所述的微反應(yīng)器，其進(jìn)一步的特征包括所述基板的材料選擇下面一組硅，玻璃和陶瓷。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種用于形成化學(xué)微反應(yīng)器的方法，其包括在一個(gè)基板中形成至少一個(gè)毛細(xì)微通道，所述毛細(xì)微通道具有至少一個(gè)進(jìn)口和至少一個(gè)排口；形成至少一個(gè)多孔膜；將至少一個(gè)催化劑材料嵌入所述多孔膜中；將至少一個(gè)加熱器集成在所述化學(xué)微反應(yīng)器中；使所述毛細(xì)微通道與一個(gè)液體燃料容器在所述毛細(xì)微通道的進(jìn)口處相接；使所述毛細(xì)微通道與所述多孔膜在所述毛細(xì)微通道的排口處相接，以使燃料流沿水平方向從所述進(jìn)口流經(jīng)所述微通道，并沿豎直方向從所述微通道流經(jīng)所述排口。
所述用于形成化學(xué)微反應(yīng)器的方法，還包括利用選自下面一組的至少一種方法形成所述多孔膜薄膜沉積，厚膜形成，電化學(xué)蝕刻，等離子蝕刻，選擇性化學(xué)蝕刻。
所述用于形成化學(xué)微反應(yīng)器的方法，還包括利用薄膜沉積方法將催化劑材料嵌入多孔膜中。
所述用于形成化學(xué)微反應(yīng)器的方法，還包括利用離子交換方法嵌入催化劑材料。
所述用于形成化學(xué)微反應(yīng)器的方法，還包括利用溶膠—凝膠涂布方法嵌入催化劑材料。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種用于操作化學(xué)微反應(yīng)器的方法，其包括將一種燃料源從一個(gè)進(jìn)口開始通過一個(gè)填裝有催化劑材料的微流動(dòng)毛細(xì)通道傳輸至一個(gè)多孔膜；將所述微流動(dòng)毛細(xì)通道和多孔膜加熱至大約250℃和大約650℃之間的溫度；以及將燃料源重整為氫氣和多種其它氣體材料，同時(shí)至少使氫氣通過多孔膜流入與至少一個(gè)燃料電池相連的至少一個(gè)氣流通道中。
所述用于操作化學(xué)微反應(yīng)器的方法，還包括通過所述氣流通道將所述氫氣和其它氣體材料從所述多孔膜帶走，利用一個(gè)位于多孔膜排出側(cè)的多孔收氣結(jié)構(gòu)吸收所述其它氣體材料，以及使氫氣通過所述氣流通道擴(kuò)散到所述燃料電池中。
所述用于操作化學(xué)微反應(yīng)器的方法，還包括將所述進(jìn)口加熱至大約250℃和大約650℃之間的溫度。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種用于操作化學(xué)微反應(yīng)器的方法，其包括將一種燃料源通過一個(gè)第一微流動(dòng)毛細(xì)通道傳輸至一個(gè)嵌有催化劑材料的多孔膜；將所述微流動(dòng)毛細(xì)通道和多孔膜加熱至大約250℃和大約650℃之間的溫度；以及將燃料源重整為氫氣和多種其它氣體材料，同時(shí)至少使氫氣通過多孔膜流入與至少一個(gè)燃料電池相連的至少一個(gè)氣流通道中。
所述用于操作化學(xué)微反應(yīng)器的方法，還包括通過所述氣流通道將所述氫氣和其它氣體材料從所述多孔膜帶走，利用一個(gè)位于多孔膜排出側(cè)的多孔收氣結(jié)構(gòu)吸收所述其它氣體材料，以及使氫氣通過所述氣流通道擴(kuò)散到所述燃料電池中。
所述用于操作化學(xué)微反應(yīng)器的方法，還包括將燃料進(jìn)口加熱至大約250℃和大約650℃之間的溫度。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種方法，其包括提供用于從液體源產(chǎn)生氫燃料的裝置；以及將所述氫燃料傳輸至一個(gè)燃料電池。


圖1A中示出了微反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施例。
圖1B中示出了微通道的一個(gè)實(shí)施例的多孔膜承載結(jié)構(gòu)部分的俯視圖。
圖2A中示出了具有多重微通道的微反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。
圖2B中示出了微反應(yīng)器實(shí)施例中的微通道和電阻加熱器部分的剖視圖。
圖3中示出了具有多重微通道的微反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施例中的微通道和電阻加熱器部分的剖視圖。
圖4A中示出了微反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施例中的微通道和電阻加熱器部分的剖視圖。
圖4B中示出了具有多重微通道的微反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施例中的微通道和電阻加熱器部分的剖視圖。
圖5中示出了集成有微燃燒器的微反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參看圖1A，一種化學(xué)微反應(yīng)器2包括一個(gè)底部基板4a，其由硅、玻璃或陶瓷構(gòu)成；一個(gè)頂部基板4b，其由硅、玻璃或陶瓷構(gòu)成；至少一個(gè)毛細(xì)微通道6，其具有至少一個(gè)用于燃料和水的進(jìn)口8和至少一個(gè)用于氣體的排口10；一個(gè)液體容器(未示出)，其容納著燃料源；至少一個(gè)多孔膜12；以及至少一個(gè)集成加熱器14，其用于加熱微通道。如圖1B所示，一個(gè)由硅、玻璃或陶瓷構(gòu)成并且容納著多個(gè)多孔膜12的多孔膜承載結(jié)構(gòu)13是圖1A所示多孔膜12的一種有效替代性實(shí)施例。微反應(yīng)器2還可以包括一個(gè)催化燃燒微流動(dòng)熱源(未示出)，用于加熱流經(jīng)微通道和多孔膜的氣體。
化學(xué)微反應(yīng)器2設(shè)有用于產(chǎn)生氫燃料的裝置，其用于使液體源例如氨、甲醇和丁烷與適宜量的水混合、再進(jìn)行蒸汽重整以產(chǎn)生氫燃料。在圖1A所示的替代性實(shí)施例中，毛細(xì)微通道的進(jìn)口8將來自液體容器(未示出)的燃料—水混合物混合并輸送通過微通道6和多孔膜12。多孔膜12也可以被替換成包含多個(gè)多孔膜的多孔膜承載結(jié)構(gòu)。
參看圖2A，燃料—水混合物可以首先在氣化區(qū)15即燃料進(jìn)口與微通道連接的區(qū)域中被電阻加熱器加熱，以形成燃料—蒸汽氣體。然后，燃料—蒸汽氣體流經(jīng)微通道6。微通道中可以填裝有諸如以下材料鉑、鉑釕合金、鎳、鈀、銅、氧化銅、二氧化鈰、氧化鋅、氧化鋁、它們的組合和它們的合金。電阻加熱器14可以沿微通道布置。利用微加熱器將微通道6加熱到大約250℃和大約650℃之間的溫度，以便于發(fā)生催化蒸汽重整反應(yīng)。理想的溫度取決于燃料源，例如，如果使用甲醇，則有效溫度為大約250℃，而氨所需的溫度為大約650℃。微通道6被成型為這樣的形狀，即能夠具有適宜體積和表面積，以使燃料—蒸汽氣體在流經(jīng)微通道6和多孔膜12時(shí)起反應(yīng)。電連接墊16用于使電流流過電阻加熱器14。盡管未示出，電連接墊16被連接到一個(gè)電源。圖2B是圖2A中所示實(shí)施例的剖視圖。
兩種不同的實(shí)施方式可以被采用。第一實(shí)施方式采用了填裝了催化劑的毛細(xì)微通道和至少一個(gè)多孔膜。在本實(shí)施方式中，多孔膜的主要目的是防止流經(jīng)微通道的大的顆?；蚍肿哟┻^多孔膜。多孔膜可以包含或不包含催化劑材料。
第二實(shí)施方式采用了一個(gè)具有大表面積的多孔膜或一個(gè)包含具有大的總表面積的多個(gè)多孔膜的多孔膜承載結(jié)構(gòu)，以使所述表面積或總表面積與多孔膜體積之間的比值大于大約1m2/cm3。表面積與體積之比的量級為大約1m2/cm3至大約100m2/cm3的表面積是有效的。在本實(shí)施方式中，催化劑材料嵌入多孔膜中，而且多孔膜的主要作用是便于發(fā)生催化蒸汽重整反應(yīng)。填裝了催化劑的毛細(xì)微通道可以用于或不用于本實(shí)施例。本實(shí)施例可以減小微通道6所需的尺寸和長度。例如，參看圖1A和1B，將包含多個(gè)多孔膜12的多孔膜承載結(jié)構(gòu)13定位在微通道6的排口10處，可以提供出大表面積的催化反應(yīng)。利用這種方式使微通道區(qū)域的尺寸最小化，容易將微通道6加熱并維持在發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)所需的高溫，即大約250℃至大約650℃。此外，多孔膜承載結(jié)構(gòu)13提供出其與排口10之間的流動(dòng)界面，并且對氣流提供出一定程度的節(jié)流，從而導(dǎo)致微通道區(qū)域的背壓略微升高。
通過將微通道6和多孔膜12加熱到適宜溫度即大約250℃至大約650℃，會產(chǎn)生氫氣。燃料—蒸汽源被重整為氣態(tài)制品，即氫氣和隨后的副產(chǎn)品例如一氧化碳和二氧化碳，從而以分子形式擴(kuò)散通過多孔膜并且流入燃料電池或其它動(dòng)力源。氫氣作為液體燃料源的成分被燃料電池轉(zhuǎn)變成電能。如果化學(xué)微反應(yīng)器2與燃料電池協(xié)同使用，則氣態(tài)分子在流過多孔膜承載結(jié)構(gòu)后將流經(jīng)至少一個(gè)附加微通道，即氣體流道。氣體流道安置在催化劑多孔膜12的排出側(cè)，并且連接著燃料電池的陽極歧管。其它實(shí)施例可以包括位于多孔膜12的排出側(cè)的多孔收氣結(jié)構(gòu)或永久選擇性(permaselective)薄膜材料，以吸收制品氣體，從而僅使氫氣擴(kuò)散至燃料電池。在存在可使燃料電池中的成分退化的附加副產(chǎn)品的情況下，吸收副產(chǎn)品是有益的。任何將氫氣作為燃料源的燃料電池可以有效地采用本發(fā)明。例如，有效地電池包括AlanJankowski和Jeffrey Morse的美國專利申請No.09/241,159中討論的基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS-based)的燃料電池，該申請結(jié)合在此作為參考。
一種化學(xué)微反應(yīng)器可以通過硅、玻璃或陶瓷材料的微加工以及晶片結(jié)合工藝構(gòu)造出來。該構(gòu)造方法包括首先通過對基板的底表面蝕刻出圖案而形成微通道。例如，該圖案可以是迂回或筆直的。微通道的深度為大約200μm，并且僅切入基板總長度的一小部分，即厚度在大約400μm至大約600μm的范圍內(nèi)。參看圖2A(俯視圖)和2B(剖視圖)，電阻加熱器14形成在頂部基板4b的頂表面上，并且以這樣的方式布置在微通道6上方，即能夠使熱量從加熱器向微通道的傳導(dǎo)最優(yōu)化。電阻加熱器還可以形成在底部基板4a的頂表面上，以使它們毗鄰微通道的表面布置。這樣，在氣體流經(jīng)通道時(shí)為加熱燃料—水以產(chǎn)生氣體并且實(shí)現(xiàn)催化反應(yīng)而必須輸入的電能可以最小化。
其它實(shí)施例可以便于實(shí)現(xiàn)一種被稱作逆流熱交換的過程。在這些實(shí)施例中，微通道被布置成這樣的形狀，即能夠使得將要被傳輸?shù)较噜徫⑼ǖ纼?nèi)的氣流中的制品氣體在流經(jīng)一個(gè)微通道時(shí)損失熱量。這樣的實(shí)施例可以包括逆流熱交換器(未示出)。逆流熱交換器可以安置在下述三個(gè)區(qū)域中并且實(shí)現(xiàn)三種不同的功能。首先，逆流熱交換器可以安置在氣化區(qū)域中，以初始加熱燃料—水混合物。第二組熱交換器可以安置在氣化區(qū)域與填裝了催化劑的微通道之間的區(qū)域內(nèi)，以向流入毛細(xì)微通道的氣體施加額外的熱量。最后，更多個(gè)逆流熱交換器可以安置在多孔膜的排口處，以回收副產(chǎn)品流散發(fā)的任何額外熱量。集成有燃料電池的催化微反應(yīng)器的熱氣體排口直接連接在燃料電池的陽極歧管上，并且在燃料電池的陽極排口處設(shè)有逆流熱交換器。該逆流熱交換器在陽極排口將額外熱量從燃料電池吸取，并通過氣化區(qū)和進(jìn)氣流傳回催化微反應(yīng)器。
進(jìn)口8和多孔膜承載結(jié)構(gòu)13被形成圖案并且蝕刻到基板4a的頂表面中。參看圖3，一個(gè)進(jìn)口8的直徑大約為1mm，并且一直敞開到微通道6的入口?？梢詾槿剂虾退謩e形成彼此分開的進(jìn)口，或者，僅形成用于預(yù)先混合的燃料—水混合物的單一進(jìn)口(如圖3所示)就足夠了。一個(gè)陣列的直徑在0.1-5.0μm范圍內(nèi)的通孔17可以以圖案方式蝕刻形成在多孔膜承載結(jié)構(gòu)13中。所述通孔是筆直的，并且通向微通道6的末端(例如大約100μm至大約200μm深)。硅可以利用傳統(tǒng)的等離子體蝕刻(Bosch process)技術(shù)、激光蝕刻、光致電化學(xué)蝕刻等方法蝕刻。每種蝕刻方法均能產(chǎn)生非常直、深、狹窄的通孔，所述通孔延伸到從底側(cè)形成的微溝槽。
另一種用于形成硅質(zhì)多孔膜的方法是例用一種電化學(xué)蝕刻，其中氫氟酸被用于在硅中蝕刻出孔。該電化學(xué)蝕刻方法可以在硅中產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)多孔層。關(guān)于孔的尺寸，例如，孔的直徑為大約0.1μm至大約1.0μm，厚度在大約60μm至大約200μm的量級。
一個(gè)多孔膜承載結(jié)構(gòu)可以利用薄膜沉積、厚膜形成和電化學(xué)成形等方法的組合而被設(shè)置在微通道的排口處。參看圖4A，多孔膜承載結(jié)構(gòu)13可以由陽極氧化鋁、干凝膠或玻璃構(gòu)成，并且形成有由于產(chǎn)生一個(gè)開口的通孔17，所述通孔向下蝕刻至微通道6的排口端。圖4B中示出了一種多通道實(shí)施例。在一個(gè)例子中，通過將玻璃的溶膠一凝膠涂層沉積在基板的頂表面上，并且使之干燥以產(chǎn)生穿通膜的隨機(jī)孔隙，形成了一個(gè)由干凝膠構(gòu)成的厚多孔膜。例如，可以在120℃焙燒30分鐘，以去除任何殘留的溶劑，然后在600-800℃的高溫焙燒。其它對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言公知的方法也可以采用。這些孔的直徑范圍為大約0.1μm至大約1.0μm，膜的厚度可以最多為大約100μm。
在第二個(gè)例子中，通過向基板4a的頂表面上在通向微通道6的開口上粘結(jié)大約50μm厚的多孔氧化鋁薄膜，形成了多孔膜承載結(jié)構(gòu)13。通過對鋁進(jìn)行陽極化處理，以產(chǎn)生一個(gè)陣列的直徑范圍為大約0.02μm至大約0.2μm的孔，從而形成多孔氧化鋁。
多孔厚膜的承載結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)主要目的。首先，在通向微通道的進(jìn)口8與從微通道引出的排口10之間存在壓差的情況下，可以提供出機(jī)械強(qiáng)度。第二，可以對流經(jīng)多孔膜12的氣體反應(yīng)副產(chǎn)品進(jìn)行自然的流量控制。多孔膜承載結(jié)構(gòu)可以根據(jù)其所供應(yīng)的電源(燃料電池)的特定需要而被控制。例如，如果微通道和微流動(dòng)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成在6微升/分鐘流率下具有最小的壓降，那么在對燃料進(jìn)行充分處理的情況下，利用6微升/分鐘流率的甲醇∶水(50∶50)的燃料混合物，效率為50％的燃料電池可以提供大約500毫瓦的電能。
在形成了微通道、多孔膜承載結(jié)構(gòu)、電阻加熱器和逆流熱交換器后，通過將催化劑材料集成到微通道、多孔膜中，然后將由玻璃、硅或陶瓷制成的第一基板4a粘結(jié)在將由玻璃、硅或陶瓷制成的第二基板4b上，就完成了催化微反應(yīng)器。
所采用的催化劑可以是鉑、鉑釕合金、鎳、鈀、銅、氧化銅、二氧化鈰、氧化鋅、氧化鋁、它們的組合、它們的合金或其它通常被用于蒸汽重整工藝的材料。各種涂覆方法可以用于布置催化劑材料。例如，催化劑材料可以通過薄膜沉積方法而嵌入多孔膜和微通道中，或者，可以通過離子交換或溶膠—凝膠涂布(doping)方法而嵌入微通道和多孔膜中。這些涂覆方法可以被專門選用，以提供出多孔的大表面積涂層，從而增強(qiáng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性。
其它有效的方法可以使用擔(dān)載型催化劑材料例如銅/氧化鋅/氧化鋁的丸料或顆粒，它們的直徑大于多孔膜的孔徑尺寸。這種類型的催化劑材料是商業(yè)供應(yīng)的，并且通常是將銅/氧化鋅嵌入多孔氧化鋁載體顆粒中而形成的。在被形成后，催化劑顆粒可以以膠粒的形式懸浮在溶液中。然后，可將膠粒溶液注射通過微通道。多孔膜將催化劑顆粒俘獲在微通道內(nèi)。在經(jīng)過了一段時(shí)間后，微通道會被催化劑顆粒充滿。這一過程產(chǎn)生了一個(gè)填裝催化劑通道，其為多孔性的，足以使氣體容易從中流過，同時(shí)又能使催化劑材料提供出大表面積。這一工藝可以與前面描述的催化劑涂覆方法組合使用，或者可以單獨(dú)使用。
多孔膜面積和微通道面積被制作成足夠大，以使電源所需的足夠量的燃料從中流過。在一些情況下，如果電阻加熱器需要消耗太多的電能以加熱微通道和多孔膜，則可以啟動(dòng)一個(gè)放熱燃燒反應(yīng)。放熱燃燒反應(yīng)可以自我持續(xù)，因此不需要附加的能量。
參看圖5，通過形成一個(gè)微燃燒器20，可以實(shí)現(xiàn)放熱燃燒的自持續(xù)。微燃燒器20包括一個(gè)與毛細(xì)微通道6和多孔膜12分離的小的微通道22，其帶有催化絲或電極23(通常為催化床加熱器)，而且至少一個(gè)電接觸墊30連接著電源(未示出)。該微燃燒器具有一個(gè)用于諸如丁烷或甲醇等燃料的第一進(jìn)口24，該燃料被小的電阻加熱器加熱以形成氣體，以及一個(gè)用于空氣或其它含氧的氣體混合物的第二進(jìn)口26。燃料和空氣被混合并流經(jīng)催化絲或電極，后者以類似于電阻器的方式被流過其中的電流加熱。然后燃料/空氣混合物啟動(dòng)燃燒反應(yīng)，以產(chǎn)生熱量、二氧化碳和水。熱量被傳導(dǎo)至毛細(xì)微通道和多孔膜，二氧化碳和水流至一個(gè)排口(未示出)。在啟動(dòng)燃燒后，只要燃料流入進(jìn)口24和26，就可以維持燃燒反應(yīng)，而不需要再使電流流過催化絲23或電極。燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會被高效地傳導(dǎo)至化學(xué)微反應(yīng)器以及前面利用逆流熱交換過程的集成燃料電池(如果有的話)。從微通道燃燒器排出的氣流是高溫的，其熱量容易通過具有大表面積的微通道傳導(dǎo)至沿相反方向流動(dòng)的相鄰冷氣體。微通道燃燒器可以利用前面描述的用于形成化學(xué)微反應(yīng)器的相同方法形成。在一些燃料電池的實(shí)施例中，可以在蒸汽重整用填裝催化劑微通道和多孔膜與燃料電池之間實(shí)現(xiàn)熱耦合，以減小加熱燃料電池所需的能量，并且提供出非常高效的電源。多孔膜的材料和孔隙度、沉積方式以及集成加熱器的布置方式可以被最優(yōu)化，以匹配于特定的燃料例如甲醇，或特定的燃料組例如氨、甲醇和丁烷。
多個(gè)微反應(yīng)器可以集成在一起，以便處理各式各樣的液體燃料成分。組合了燃料電池和蒸汽重整功能的集成微反應(yīng)器可以并聯(lián)設(shè)置，以使它們適用于范圍在大約10瓦至大約50瓦的高電能應(yīng)用。
雖然前面描述和顯示了特定的操作順序、材料、溫度、參數(shù)和特定的實(shí)施例，但它們并不對本發(fā)明構(gòu)成限制。各種改型和變化對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的，因而本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種用于形成化學(xué)微反應(yīng)器的方法，包括在一個(gè)基板中形成至少一個(gè)毛細(xì)微通道，所述毛細(xì)微通道具有至少一個(gè)進(jìn)口和至少一個(gè)排口；形成至少一個(gè)多孔膜；將至少一個(gè)催化劑材料嵌入所述多孔膜中；將至少一個(gè)加熱器集成在所述化學(xué)微反應(yīng)器中；使所述毛細(xì)微通道與一個(gè)液體燃料容器在所述毛細(xì)微通道的進(jìn)口處相接；使所述毛細(xì)微通道與所述多孔膜在所述毛細(xì)微通道的排口處相接，以使燃料流沿水平方向從所述進(jìn)口流經(jīng)所述微通道，并沿豎直方向從所述微通道流經(jīng)所述排口。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用選自下面一組的至少一種方法形成所述多孔膜薄膜沉積，厚膜形成，電化學(xué)蝕刻，等離子蝕刻，選擇性化學(xué)蝕刻。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用薄膜沉積方法將催化劑材料嵌入多孔膜中。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用離子交換方法嵌入催化劑材料。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用溶膠—凝膠涂布方法嵌入催化劑材料。
6.一種用于操作化學(xué)微反應(yīng)器的方法，包括將一種燃料源從一個(gè)進(jìn)口開始通過一個(gè)填裝有催化劑材料的微流動(dòng)毛細(xì)通道傳輸至一個(gè)多孔膜；將所述微流動(dòng)毛細(xì)通道和多孔膜加熱至250℃和650℃之間的溫度；以及將燃料源重整為氫氣和多種其它氣體材料，同時(shí)至少使氫氣通過多孔膜流入與至少一個(gè)燃料電池相連的至少一個(gè)氣流通道中。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括通過所述氣流通道將所述氫氣和其它氣體材料從所述多孔膜帶走；利用一個(gè)位于多孔膜排出側(cè)的多孔收氣結(jié)構(gòu)吸收所述其它氣體材料；以及使氫氣通過所述氣流通道擴(kuò)散到所述燃料電池中。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括將所述進(jìn)口加熱至250℃和650℃之間的溫度。
9.一種用于操作化學(xué)微反應(yīng)器的方法，包括將一種燃料源通過一個(gè)第一微流動(dòng)毛細(xì)通道傳輸至一個(gè)嵌有催化劑材料的多孔膜；將所述微流動(dòng)毛細(xì)通道和多孔膜加熱至250℃和650℃之間的溫度；以及將燃料源重整為氫氣和多種其它氣體材料，同時(shí)至少使氫氣通過多孔膜流入與至少一個(gè)燃料電池相連的至少一個(gè)氣流通道中。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括通過所述氣流通道將所述氫氣和其它氣體材料從所述多孔膜帶走；利用一個(gè)位于多孔膜排出側(cè)的多孔收氣結(jié)構(gòu)吸收所述其它氣體材料；以及使氫氣通過所述氣流通道擴(kuò)散到所述燃料電池中。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括將所述進(jìn)口加熱至250℃和650℃之間的溫度。
12.一種方法，包括提供用于從液體源產(chǎn)生氫燃料的裝置；以及將所述氫燃料傳輸至一個(gè)燃料電池。
13.如權(quán)利要求1所述產(chǎn)生化學(xué)微反應(yīng)器的方法，包括位于一個(gè)硅基板中的多個(gè)分離反應(yīng)微通道，每一個(gè)反應(yīng)微通道位于一硅基板中，每一個(gè)反應(yīng)微通道有至少一個(gè)進(jìn)口和至少一個(gè)排口，所述反應(yīng)微通道中至少一個(gè)包括用于含氫燃料的蒸汽重整器，所述蒸汽重整器具有重整催化劑材料，該重整催化劑材料位于所述至少一個(gè)進(jìn)口和所述至少一個(gè)排口之間，以及所述反應(yīng)微通道中另外至少一個(gè)包括一個(gè)具有至少一種加熱器催化劑材料的集成的具有催化作用的微燃燒加熱器，所述加熱器催化劑材料位于所述至少一個(gè)進(jìn)口和所述至少一個(gè)排口之間，其中多個(gè)分離反應(yīng)微通道中的每一個(gè)的所述至少一個(gè)進(jìn)口和所述至少一個(gè)排口中至少一個(gè)是一個(gè)附加不反應(yīng)微通道，其定位為不與所述相對的反應(yīng)微通道平行，由此，提供充分集成硅化學(xué)加熱的蒸汽重整微反應(yīng)器，其用來維持所述重整器和所述加熱器微通道之間的氣體分離。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括位于所述重整器進(jìn)口和所述排口之間的至少一個(gè)多孔膜。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述催化劑材料選自下面一組鉑，鉑釕合金，鎳，鈀，銅，氧化銅，二氧化鈰，氧化鋅，氧化鋁，它們的組合，以及它們的合金。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述重整器排口連接著一個(gè)燃料電池的歧管。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，位于所述進(jìn)口和所述排口之間的所述至少一個(gè)催化劑材料填裝在所述重整器微通道中。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，位于所述進(jìn)口和所述排口之間的所述至少一個(gè)催化劑材料嵌入所述重整器微通道中。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述重整器微通道進(jìn)口連接著一個(gè)液體燃料容器。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述重整器微通道與所述多孔膜相接，以使燃料流沿水平方向從所述重整器微通道進(jìn)口流經(jīng)所述重整器微通道，并沿豎直方向從所述重整器微通道流經(jīng)所述重整器微通道排口。
21.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述加熱器集成在所述進(jìn)口處。
22.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述加熱器沿所述重整器微通道集成。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述加熱器集成在所述多孔膜處。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述多孔膜包括多孔的厚膜，其材料選自下面一組多孔硅，陽極氧化鋁，干凝膠，玻璃，以及它們的組合。
25.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述催化劑材料覆蓋著多孔膜的表面，催化劑材料覆蓋的表面面積與多孔膜的體積之間的比值為1m2/cm3或以上。
26.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述毛細(xì)微通道支持1微升/分鐘至600微升/分鐘范圍內(nèi)的燃料流率。
27.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括一個(gè)位于所述多孔膜的排出側(cè)的多孔收氣結(jié)構(gòu)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述收氣結(jié)構(gòu)的表面積和體積之間的比值為1m2/cm3或以上。
29.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述微反應(yīng)器配置成將一種以上的液體燃料成分處理成氫燃料。
全文摘要
公開了一種化學(xué)微反應(yīng)器，其用于使液體源例如氨、甲醇和丁烷與適宜量的水混合并且通過蒸汽重整過程而產(chǎn)生氫燃料。微反應(yīng)器包含毛細(xì)微通道，后者集成有電阻加熱器，以便于發(fā)生催化蒸汽重整反應(yīng)。兩種不同的實(shí)施方式被討論。一種實(shí)施方式采用了一個(gè)填裝了催化劑的毛細(xì)微通道和至少一個(gè)多孔膜，另一種實(shí)施方式采用了一個(gè)具有大表面積的多孔膜或一個(gè)包含具有大的總表面積的多個(gè)多孔膜的多孔膜承載結(jié)構(gòu)，以使所述表面積或總表面積大于大約1m
文檔編號C01B3/32GK1935352SQ200610154338
公開日2007年3月28日 申請日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月5日
發(fā)明者杰弗里·D·莫爾斯, 艾倫·揚(yáng)科夫斯基 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會