專利名稱：反應(yīng)器和發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有包括通道結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器主體的反應(yīng)器和配備有反應(yīng)器的發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
近年來，已經(jīng)對確保高效的能量使用的燃料電池作出了積極地研究和開發(fā)。從通過燃料與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)能量直接獲得電能的燃料電池被定位為未來的并且由希望的電池。氫氣是用于燃料電池中的一種燃料，但是應(yīng)當(dāng)注意處理和存儲氫氣，因?yàn)闅錃庠诔叵率菤鈶B(tài)的。液體燃料，例如酒精和汽油的使用可以存儲液體燃料的系統(tǒng)相對緊湊。然而，液體燃料的使用需要將液體燃料和水蒸氣加熱到反應(yīng)高溫以產(chǎn)生發(fā)電所需的氫氣的重整器。當(dāng)燃料重整型燃料電池用作緊湊型電子裝置的電源時，應(yīng)當(dāng)將重整器以及燃料電池做成緊湊型的。
已經(jīng)對如在未審日本專利申請KOKAI公開號2002-102681中描述的重整器的化學(xué)微反應(yīng)器的使用作了研究和開發(fā)，其中該專利申請公開了通過使用具有多個連接在一起的基板的緊湊型化學(xué)微反應(yīng)器產(chǎn)生微化學(xué)反應(yīng)。將簡要地描述在該專利申請公開中描述的化學(xué)微反應(yīng)器。首先制備聚苯乙烯的第一基板，在其一個表面上形成將作為通道的彎曲槽。然后，通過紫外線固化樹脂以覆蓋所述槽而來將第二基板粘接到第一基板上，由此在兩個基板的連接處形成彎曲通道。通過泵等將反應(yīng)物輸送到化學(xué)微反應(yīng)器的彎曲通道。當(dāng)反應(yīng)物發(fā)生法應(yīng)時，產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物或者中間產(chǎn)物。
當(dāng)加熱化學(xué)微反應(yīng)器時，將化學(xué)微反應(yīng)器的熱轉(zhuǎn)移到經(jīng)過通道流動并與通道的壁接觸的反應(yīng)物，促使反應(yīng)物更有效的反應(yīng)。當(dāng)催化劑支撐在通道的壁上時，經(jīng)過通道流動的反應(yīng)物和通道的壁接觸，促使反應(yīng)物更有效的反應(yīng)。然而，當(dāng)彎曲通道在多個位置彎曲時，流體的流動方向變化，增加了壓力損耗。這需要流體供給機(jī)構(gòu)(例如泵)大的容量。
如果反應(yīng)物在化學(xué)微反應(yīng)器的通道中流動，發(fā)生產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物或者中間產(chǎn)物的反應(yīng)物的反應(yīng)。當(dāng)在通常溫度很難發(fā)生反應(yīng)物的反應(yīng)時，應(yīng)當(dāng)加熱化學(xué)微反應(yīng)器。在日本專利申請KOKAI公開號2002-102681中也描述了加熱化學(xué)微反應(yīng)器的一種方式，即在基板中轉(zhuǎn)移熱，其中通過使用電加熱器，例如鎳鉻合金線在該基板上形成通道。然而該方法導(dǎo)致接觸加熱器的基板部分的溫度不同于不接觸加熱器的基板部分的溫度，或者在成為通道的凹槽的深度方向產(chǎn)生溫度梯度。這帶來凹槽中反應(yīng)溫度變化的問題，使得反應(yīng)物不能均勻地反應(yīng)。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠減小壓力損耗的緊湊型反應(yīng)器。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種允許反應(yīng)物均勻反應(yīng)的反應(yīng)器。
為了達(dá)到這個目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種反應(yīng)器，包括反應(yīng)器主體(21，301，501，601)，具有形成在其中的內(nèi)部空間；和基板(305，505，705，325，525，725)，將其插入以使得將反應(yīng)器主體(21，301，501，601)的內(nèi)部空間分隔成兩個區(qū)域，并且穿過基板在厚度方向上鉆出多個通孔(306，506，606)。
當(dāng)將反應(yīng)物施加給通過基板隔開的兩個區(qū)域的一個時，施加的反應(yīng)物經(jīng)過充當(dāng)通道的基板的通孔流到另一區(qū)域。當(dāng)通過基板鉆出多個通孔時，反應(yīng)物從一個區(qū)域流到另一個區(qū)域的壓力損耗變小。
多個通孔的形成可以允許更大量的催化劑支撐在通孔的壁上作為通孔的總量。
當(dāng)多個通孔形成在保持在反應(yīng)器主體中的基板中時，通過使通孔更薄并增加穿透基板的通孔的數(shù)量使接觸區(qū)域變得更大。換句話說，流過通孔的流體更容易接觸通孔的壁，增加流體接觸壁的可能性，其導(dǎo)致有效的反應(yīng)。
優(yōu)選的是，在反應(yīng)器中，基板(305，505，705，325，525，725)的表面層應(yīng)當(dāng)被氧化，包括通孔(306，506，606)，以及催化劑(516，616)應(yīng)當(dāng)是支撐在氧化的表面層上。
基板的表面層的氧化將基板的表面層改變?yōu)槎嗫捉饘傺趸?，并由此增加表面面積，使得大量的催化劑組分可以支撐在表面層的上面，加速反應(yīng)。
優(yōu)選的是，在反應(yīng)器中，電加熱膜(308，508，608)應(yīng)當(dāng)形成在基板(305，505，705)的兩個表面的至少一個上。
當(dāng)用電能加熱電加熱膜時，在基板處電加熱膜的形成導(dǎo)致熱量通過基板轉(zhuǎn)移。當(dāng)在通孔中流動的反應(yīng)物接觸基板時，加熱反應(yīng)物并由此產(chǎn)生有效的反應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的反應(yīng)器包括反應(yīng)器主體(21，301，801，901)，具有形成在其中的內(nèi)部空間；和電阻器基板(705，805，905)，將其插入以使得將反應(yīng)器主體(21，701，801，901)的內(nèi)部空間分隔成兩個區(qū)域，并且通過該基板在厚度方向上鉆出多個通孔(706，806，906)。
根據(jù)本發(fā)明因?yàn)殡娮杵髌鸬疆a(chǎn)生電熱的電阻器的作用，所以當(dāng)施加電壓時電阻器基板本身產(chǎn)生熱量。自加熱電阻器基板迅速地加熱通孔周圍的區(qū)域，使得通過碳基的基板的熱量反應(yīng)物可以有效的反應(yīng)。
通過閱讀下述具體的描述和附圖本發(fā)明的和其它目的以及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，其中圖1是發(fā)電機(jī)1的方框圖；圖2是汽化器3、重整器5和CO(一氧化碳)選擇氧化器6的透視圖；圖3是沿著圖2的線III-III在厚度方向切開的汽化器、重整器和CO選擇氧化器的橫截面圖；圖4是基板305的平面圖；圖5是汽化器13、重整器15和CO(一氧化碳)選擇氧化器16的橫截面圖；
圖6是反應(yīng)器20的透視圖；圖7是沿著圖6的線VII-VII在厚度方向切開的反應(yīng)器的橫截面圖；圖8是汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的透視圖；圖9是沿著圖8的線IX-IX在厚度方向切開的汽化器、重整器和CO選擇氧化器的橫截面圖；圖10是碳基的基板705的平面圖；圖11是反應(yīng)器20的透視圖；以及圖12是沿著圖11的線XII-XII在厚度方向切開的反應(yīng)器的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖描述本發(fā)明的最優(yōu)方式。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明盡管對下述的實(shí)施例作出了各種技術(shù)性地優(yōu)選限制，但是這些限制不將本發(fā)明的范圍局限到下面的實(shí)施例和描述的實(shí)例。
圖1是發(fā)電機(jī)1的方框圖。
發(fā)電機(jī)1裝配在桌上型個人計算機(jī)、筆記本型個人計算機(jī)、便攜式電話、PDA(個人數(shù)字助理)、電子管理器、手表、數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、游戲設(shè)備、游戲機(jī)、家庭器械或者其它電子裝置中，并用作運(yùn)行電子裝置的主體的電源。
發(fā)電機(jī)1包括燃料箱體2、汽化器3、燃料泵4、重整器5、CO(一氧化碳)選擇氧化器6、燃料電池7、空氣泵8和電壓施加部件9。燃料箱體2保持作為用于發(fā)電機(jī)的原料的燃料。汽化器3包括汽化從燃料箱體2施加的燃料的微反應(yīng)器。燃料泵4從燃料箱體2吸取燃料并將吸取的燃料供給汽化器3。重整器5包括重整從汽化器3施加到氫氣的空氣燃料混合氣的微反應(yīng)器。CO選擇氧化器6包括從重整器5施加的空氣燃料混合氣中去除一氧化碳的微反應(yīng)器。通過從CO選擇氧化器6施加的空氣燃料混合氣中的氫氣和空氣中的氧氣的電化學(xué)反應(yīng)燃料電池7產(chǎn)生電能?？諝獗?吸取外部的空氣并將空氣提供給CO選擇氧化器6和燃料電池7。電壓施加部件9向汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6施加電壓。根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器適合于汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6。
汽化器3、燃料泵4、重整器5、CO選擇氧化器6和空氣泵安裝在電子裝置的主體中。燃料箱體2可分離地設(shè)置在電子裝置的主體處，以及當(dāng)燃料箱體2連接到電子裝置的主體時，通過燃料泵4將燃料箱體2中的燃料施加給汽化器3。
保留在燃料箱體2中的燃料是液體化學(xué)燃料和水的混合物?？衫玫幕瘜W(xué)燃料是含氫的化合物，例如酒精像甲醇和乙醇以及汽油。在實(shí)施例中使用甲醇和水的混合物作為燃料。
燃料電池7具有作為氣體擴(kuò)散層的燃料電極，其包括催化劑微粒和支撐微粒、作為氣體擴(kuò)散層的空氣電極，其包括催化劑微粒和支撐微粒、和支撐在燃料電極和空氣電極之間的氫離子導(dǎo)電固體聚合物電解質(zhì)膜。空氣電極通過管等連接到空氣泵8，使空氣施加到空氣電極。
圖2是汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的透視圖，以及圖3是沿著圖2的線III-III在厚度方向切開的汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的橫截面圖。
如圖2和3所示，汽化器3具有反應(yīng)器主體301和保持在反應(yīng)器主體301中的通道結(jié)構(gòu)302，該反應(yīng)器主體是具有形成在其中的內(nèi)部空間的箱體。
反應(yīng)器主體301形成為具有內(nèi)部空間的矩形或者立方體的盒子。反應(yīng)器主體301由具有相對低導(dǎo)熱率的絕熱材料構(gòu)成，例如玻璃或者陶瓷。反應(yīng)器主體301配備有與內(nèi)部空間和反應(yīng)器主體301外部連通的流入管303和流出管304。流入管303設(shè)置在和反應(yīng)器主體301中的流出管304相對的位置。在實(shí)施例中，流入管303設(shè)置在反應(yīng)器主體301的頂壁上，以及流出管304設(shè)置在反應(yīng)器主體301的底壁上。流入管303和燃料泵連通，以及流出管304和重整器5的流入管503連通，這將在后面論述。
作為基本結(jié)構(gòu)，通道結(jié)構(gòu)302具有由高熱導(dǎo)率的金屬構(gòu)成的基板305，例如鋁(熱導(dǎo)率237W/m·K)、鈰(熱導(dǎo)率11.4W/m·K)、鈦(熱導(dǎo)率21.9W/m·K)或者硅(熱導(dǎo)率148W/m·K)，通過陽極氧化，基板的上表面可以是多孔的。在平面方向上基板305的厚度小于基板305的長度和寬度。基板305具有從基板305的一個表面穿透到另一表面并充當(dāng)通道的多個通孔306。以這種方式形成通孔306，使得沿著基板305的長度方向彼此平行，并直線延伸以使得不會中途彎曲。參考作為基板305的一部分的平面圖的圖4，通孔306具有六邊形的橫截面并布置成蜂窩狀圖樣。通孔306不必形成為六邊形，而可以采用其它的形式，例如三角形、矩形、大于矩形的多邊形、圓形或者橢圓形。具有在平面圖中看見的基板305，通孔306不必布置成蜂窩狀圖樣，而是可以布置成二維排列(例如矩陣形式)。優(yōu)選的是，基板305對于在通孔306中流動的液體中包含的物質(zhì)應(yīng)當(dāng)具有不良反應(yīng)、具有高的熱導(dǎo)率和低的熱膨脹系數(shù)。
如圖3所示，絕緣膜307，例如二氧化硅膜(SiO2)或者氮化硅膜(SiN)形成在通道結(jié)構(gòu)302中的基板305的一側(cè)上的通孔306之間。由金屬氧化物，例如Ta-Si-O-N或者金屬，例如Au構(gòu)成的電加熱膜308形成在絕緣膜307上。電加熱膜308是電阻性的發(fā)熱器或者半導(dǎo)體發(fā)熱器，當(dāng)電流在電加熱膜308中流動時或者電壓施加到那里時電力地產(chǎn)生熱量。作為由于施加到電加熱膜308的電壓導(dǎo)致電流流動到具有較低電阻率的基板305的結(jié)果，電加熱膜308和基板305之間的絕緣膜307的插入可以避免不能對電加熱膜308的充分加熱。絕緣膜307的插入還可以使電加熱膜308的分離比當(dāng)電加熱膜308直接形成在基板305上時更難。
保護(hù)絕緣膜309，例如氧化硅膜或者氮化硅膜，形成在電加熱膜308上。涂覆到電加熱膜308上，保護(hù)絕緣膜309保護(hù)電加熱膜308。
基板305保持在反應(yīng)器主體301中，通過上支撐部分312遠(yuǎn)離反應(yīng)器主體301的頂壁支撐，通過下支撐部分313遠(yuǎn)離反應(yīng)器主體301的底壁支撐。反應(yīng)主體301的內(nèi)部空間分隔成流入管303一側(cè)上的區(qū)域310和流出管304一側(cè)上的區(qū)域311。基板305的一個表面和反應(yīng)器主體301的頂壁相對，同時基板305的另一表面反應(yīng)器主體的底壁相對，以及經(jīng)過通孔306流入管303上的區(qū)域310和流出管304上的區(qū)域311連通。因此，通孔306充當(dāng)從流入管303側(cè)到流出管304側(cè)的通道。
如圖2所示，基板305的四側(cè)的其中一側(cè)延伸出反應(yīng)器主體301的一側(cè)。在從反應(yīng)器主體301露出的那一部分的基板305上形成和電加熱膜308整體形成的兩條線314和315。電壓施加部件9通過線314和315向電加熱膜308施加電壓/電流，以在80℃到120℃的范圍內(nèi)加熱電加熱膜308。
在基板305穿透反應(yīng)器主體301的一側(cè)的部分密封基板305和反應(yīng)器主體301之間的界面。
如圖2和3所示，如同汽化器3一樣，重整器5具有作為具有形成在其中的內(nèi)部空間的箱體體的反應(yīng)器主體和保持在反應(yīng)器主體502中的通道結(jié)構(gòu)502。在圖2和3中，基本上等同于汽化器3的對應(yīng)部分的重整器5的那些部分，例如基本上等同于絕緣膜307的絕緣膜507，給出以五百的附圖標(biāo)記，其較低的兩位數(shù)字和汽化器3的對應(yīng)部分的附圖標(biāo)記的較低兩位數(shù)字相同。將省略對應(yīng)于汽化器3的基本相同部分的重整器5的那些部分的描述，將只描述重整器5和汽化器3之間的區(qū)別。
在重整器5中，流出管304的流入管503和汽化器3連通，CO選擇氧化器6的流出管504和流入管603連通。
在重整器5中，作為重整催化器的催化器516形成除了被電加熱膜508覆蓋的部分之外的基板505的整個表面層上。尤其是，催化劑516形成在甚至在通孔506中的基板505的表面層上。催化劑516是通過氧化基板505的表面層以將表面層改變成多孔金屬氧化物和在作為承載體的多孔金屬氧化物的表面層上支撐催化劑組分獲得的。當(dāng)基板505是鋁時多孔金屬氧化物是氧化鋁(Al2O3)。當(dāng)基板505是鈦時，多孔金屬氧化物是氧化鈦。在重整器5中，Cu-ZnO基催化劑支撐在基板505的表面層上作為催化劑組分。優(yōu)選的是，相對于包含在通孔506中流動的流體中的物質(zhì)基板505應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)良的耐蝕性，應(yīng)當(dāng)容易地支撐催化劑516并應(yīng)當(dāng)具有高的導(dǎo)熱率和低的熱膨脹系數(shù)。在平面方向上基板505的厚度小于基板505的長度和寬度。以這種方式形成多個通孔506，使得沿著基板505的長度方向彼此平行，并直線延伸以使得不會中途彎曲。電壓施加部件9通過線514和515向電加熱膜508施加電壓/電流，以在200℃到300℃的范圍內(nèi)加熱電加熱膜508。
如圖2和3所示，如同汽化器3一樣，CO選擇氧化器6具有作為形成在其中的內(nèi)部空間的箱體體的反應(yīng)器主體601，和保持在反應(yīng)器主體601中的通道結(jié)構(gòu)602。在圖2和3中，基本上等同于汽化器3的對應(yīng)部分的CO選擇氧化器6的那些部分，例如基本上等同于絕緣膜307的絕緣膜607，給出以六百的附圖標(biāo)記，其較低的兩位數(shù)字和汽化器3的對應(yīng)部分的附圖標(biāo)記的較低兩位數(shù)字相同。將省略對應(yīng)于汽化器3的基本相同部分的CO選擇氧化器6的那些部分的描述，將描述CO選擇氧化器6和汽化器3之間的區(qū)別。
在CO選擇氧化器6中，除了流入管603和流出管604之外，反應(yīng)器主體601配備有空氣管617?？諝夤?17和位于流入管603側(cè)的反應(yīng)器主體601的內(nèi)部空間中的區(qū)域60相對?？諝夤?17和和空氣泵8連通。重整器5的流入管603和流出管504連通，以及流出管604和燃料電池7的燃料電極連通。
在CO選擇氧化器6中，作為用于一氧化碳的氧化反應(yīng)的催化劑616形成在除了被電加熱膜608覆蓋的部分之外的基板605(包括通孔606中的表面層)的整個表面層上。催化劑616是通過氧化基板605的表面層以將表面層改變成多孔金屬氧化物和在作為承載體的多孔金屬氧化物的表面層上支撐催化劑組分獲得的。在CO選擇氧化器6中，Pt基催化劑支撐在作為催化劑組分的基板605的表面層上。優(yōu)選的是相對于包含在通孔606中流動的流體物質(zhì)基板605應(yīng)當(dāng)具有良好的耐蝕性，應(yīng)當(dāng)容易地支撐催化劑616，應(yīng)當(dāng)具有高的熱導(dǎo)率和低的熱膨脹系數(shù)。在平面方向上基板605的厚度小于基板605的長度和寬度。以這種方式形成多個通孔606，使得沿著基板605的長度方向彼此平行，并直線延伸以使得不會中途彎曲。電壓施加部件9通過線614和615向電加熱膜608施加電壓/電流，以在140℃到190℃的范圍內(nèi)加熱電加熱膜608。
將在下面描述制造汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的方法。
首先，使用光刻技術(shù)，在制備的平面基板305、505和605上形成抗蝕劑掩模。接著，刻蝕在其上具有抗蝕劑掩模的基板305、505和605。由此，在相關(guān)的基板305、505和605中形成通孔306、506和606。
然后，通過氣相淀積，例如CVD、PVD或者濺射以命名的順序在相關(guān)基板305、505、和605的一個表面上形成絕緣膜307、507和607、電加熱膜308、508和608(包括線314和315，514和515，以及614和615)以及保護(hù)絕緣膜309、509和609。
然后，基板505和605充當(dāng)陽極，陰極浸入到電解液中，例如磷的溶液中(優(yōu)選濃度為4％)，或者酢漿草的溶液中(優(yōu)選濃度為5％)，由此，氧化基板505或者605的表面層(陽極氧化)。當(dāng)基板505和605的表面層氧化時，將基板505和605的表面層改變成多孔的金屬氧化物(承載體)。這將允許基板505和605的每一個具有支撐的能力。
接下來，催化劑組分支撐在基板505和605的表面層上，形成催化劑516和616。當(dāng)基板505和605的表面層改變成多孔的金屬氧化物時，可以改善催化劑組分的粘接強(qiáng)度。
然后，基板305、505和605保持在相關(guān)的反應(yīng)器主體301、501和601中，以將反應(yīng)器主體301、501和601的每一個的內(nèi)部空間分隔成流入管303、504、603的那一側(cè)上的區(qū)域310、510、610和流出管304、504、604的那一側(cè)上的區(qū)域311、511、611。經(jīng)過通孔306、506、606使得流入管303、504、603的那一側(cè)上的區(qū)域310、510、610和流出管304、504、604的那一側(cè)上的區(qū)域311、511、611連通。使基板305、505和605以及線314、514和515或者614和615的每一個的一部分延伸到連接到電壓施加部件9的相關(guān)反應(yīng)器主體301、501或者601外面。
將描述發(fā)電機(jī)1的操作。
給電加熱膜308、508和608的每一個施加電壓/電流，由電加熱膜308、508或者608產(chǎn)生的熱量傳送到基板305、505或者605，然后到表面層上的催化劑516或者616。
當(dāng)啟動燃料泵4時，將從燃料箱體2的燃料施加到汽化器3的反應(yīng)主體301中。當(dāng)啟動空氣泵8時，通過CO選擇氧化器6的空氣管617將外部的空氣施加給反應(yīng)器主體601中的區(qū)域610。
在汽化器3中，燃料從反應(yīng)器主體301中的區(qū)域310經(jīng)過通孔306到區(qū)域311。此時，加熱并汽化燃料。在基板305中多個通孔306的形成增加了基板的表面面積。因此，燃料和基板305之間的接觸面積變大，使得燃料汽化更容易。
將汽化的燃料(甲醇和水的混合氣體)施加到重整器5的反應(yīng)主體501中，經(jīng)過流出管304和流入管503。在重整器5中，燃料從反應(yīng)器主體501中的區(qū)域510經(jīng)過通孔506流到區(qū)域511。在反應(yīng)器主體501中，燃料接觸催化劑516并被加熱，產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。特別地，甲醇和水蒸汽反應(yīng)以產(chǎn)生二氧化碳和氫氣，如下面給出的化學(xué)方程式所表示的。
(1)可能存在這樣的情形，甲醇和水蒸汽沒有完全重整到反應(yīng)器主體501中的二氧化碳和氫氣中。在這種情形中，如下述化學(xué)方程式所表示的，甲醇和水蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和一氧化碳。
(2)在重整器5中產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化碳和氫氣等的混合氣體經(jīng)過流出管504和流入管603施加到CO選擇氧化器的反應(yīng)主體中。通過空氣管617外部空氣施加到反應(yīng)器主體601中。然后，已經(jīng)施加到反應(yīng)器主體601中的區(qū)域610混合氣體從反應(yīng)器主體601的區(qū)域610經(jīng)過通孔606流到區(qū)域611中。在反應(yīng)器主體601中，在反應(yīng)器主體601中選擇性地氧化包含在從重整器5施加的混合氣體中的一氧化碳以去除一氧化碳。實(shí)際上，特別選自從重整器5施加的混合氣體的一氧化碳和空氣中的氧氣反應(yīng)，由此增加二氧化碳，如下面給出的化學(xué)方程式3所表示的。
(3)然后，反應(yīng)器主體601中的混合氣體經(jīng)過流出管604施加給燃料電池7的燃料電極。在燃料電池7的燃料電極上，在施加的混合氣體中的氫氣氣體通過燃料電極的催化劑微粒的作用分解成氫離子，如下述的電化學(xué)方程式4所表示的。
(4)在施加到燃料電池7的混合氣體中，對電化學(xué)反應(yīng)沒有用的產(chǎn)物(二氧化碳等)排放到外面。
空氣施加到燃料電池7的空氣電極。如電化學(xué)化學(xué)方程式5所表示的，空氣中的氧氣和已經(jīng)通過固體聚合物電解質(zhì)膜的氫離子與從燃料電極獲得的電子反應(yīng)，由此產(chǎn)生水作為產(chǎn)物。
(5)在施加到燃料電池7的空氣電極的空氣中，對電化學(xué)反應(yīng)沒有用的氣體(氮?dú)獾?和產(chǎn)生的水排放到外面。
在發(fā)電機(jī)1中，從上面明顯可見，方程式4和5表示的電化學(xué)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在燃料電池7中，產(chǎn)生電能。產(chǎn)生的電場能用于啟動電子裝置、燃料泵4和電加熱膜308、508、608的主體。
根據(jù)實(shí)施例，如上所述，多個通孔306、506、606貫穿相關(guān)的基板305、505、605，在通孔306、506、606中流動的燃料的壓力損耗變得更小。尤其是，當(dāng)由通孔306、506、606形成的通道不彎曲時，流體直線流動，使得減小壓力損耗成為可能。
當(dāng)在相關(guān)的基板505、605、中形成通孔506、606時，大量的催化劑組分可以支撐在通孔506、606的壁上，作為通孔506、606的總?cè)萘俊＿@使得燃料和催化劑516、616之間的接觸面積更大，結(jié)果通過催化劑516、616更高效地進(jìn)行反應(yīng)物的反應(yīng)。
當(dāng)通孔306、506、606的每一個的橫截面積變得更小時，通過增加穿透相關(guān)基板305、505、605的通孔306、506、606的數(shù)量可以增加反應(yīng)器主體301、501、601的每個通孔306、506、606的壁面積，導(dǎo)致燃料的高效反應(yīng)。而且，通孔306、506、606的數(shù)量的增加可以增加流動的反應(yīng)物的數(shù)量。
參考圖5將描述第二個實(shí)施例。
在根據(jù)第二個實(shí)施例的發(fā)電機(jī)中，根據(jù)第一個實(shí)施例的發(fā)電機(jī)1的汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器改變?yōu)槠?3、重整器15和CO選擇氧化器16。
盡管在第一個實(shí)施例中汽化器3包括具有極板305的通道結(jié)構(gòu)302和反應(yīng)器主體301，但是在第二個實(shí)施例中汽化器13包括具有基板325的通道結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器主體301。基本上等同于第一個實(shí)施例的汽化器3的相應(yīng)部分的圖5中的第二個實(shí)施例的汽化器13的那些部分被給出相同的附圖標(biāo)記，以避免對對應(yīng)于汽化器3的基本等同部分的汽化器13的那些部分重復(fù)多余的描述，并將描述汽化器13和汽化器3之間的差異。
盡管汽化器3中的基板305是單一的金屬板，但是汽化器13中的基板325是包括兩個金屬板或者導(dǎo)熱板327和329以及夾在導(dǎo)熱板327和329之間的電加熱膜328的復(fù)合板，電加熱膜328，如同電加熱膜308一樣，是電阻性的發(fā)熱器或者Ta-Si-O-N、Au或者碳的半導(dǎo)體發(fā)熱器。當(dāng)電加熱膜328保持在導(dǎo)熱板327和329之間時，在基板325的任何外表面上沒有形成電加熱膜、絕緣膜和保護(hù)絕緣膜，結(jié)果在形成溝道結(jié)構(gòu)322的時候，可以消除形成絕緣膜和保護(hù)絕緣膜的步驟。盡管導(dǎo)熱板327和329，如同基板305一樣，由金屬，例如鋁、鈰、鈦或者硅構(gòu)成，但是用于導(dǎo)熱板327的金屬類型可以不同于用于導(dǎo)熱板329的金屬。導(dǎo)熱板327和反應(yīng)器主體301中的區(qū)域310相對，然而導(dǎo)熱板327和區(qū)域311相對。多個通孔326同樣從基板325的一個表面貫穿到另一個表面，并允許區(qū)域310和區(qū)域311連通。基板325的一部分延伸到反應(yīng)器主體301的外部，結(jié)果電流/電壓從外部施加到電加熱膜328。在平面方向上基板325的厚度小于基板325的長度和寬度。
在第二個實(shí)施例中，重整器15包括具有基板525的通道結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器主體501?；旧系韧诘谝粋€實(shí)施例的重整器5的相應(yīng)部分的圖5中的第二個實(shí)施例的重整器15的那些部分被給出相同的附圖標(biāo)記，以避免對對應(yīng)于重整器5的基本等同部分的重整器15的那些部分重復(fù)多余的描述，并將描述重整器15和重整器5之間的差異。
重整器15中的基板525是包括兩個金屬板或者導(dǎo)熱板527和529以及夾在導(dǎo)熱板527和529之間的電加熱膜528的復(fù)合板。導(dǎo)熱膜528，如同電加熱膜508一樣，是電阻性的發(fā)熱器或者Ta-Si-O-N、Au或者碳的半導(dǎo)體發(fā)熱器。當(dāng)電加熱膜528保持在導(dǎo)熱板527和529之間時，在基板525的任何外表面不形成電加熱膜、絕緣膜和保護(hù)絕緣膜。盡管導(dǎo)熱板527和529，如同基板505一樣，由金屬，例如鋁、鈰、鈦或者硅構(gòu)成，但是用于導(dǎo)熱板527的金屬類型可以不同于用于導(dǎo)熱板529的金屬。導(dǎo)熱板527和反應(yīng)器主體501中的區(qū)域510相對，然而導(dǎo)熱板529和區(qū)域511相對。多個通孔526同樣從基板525的一個表面貫穿到另一個表面，并允許區(qū)域510和區(qū)域511連通。催化劑536形成在包括內(nèi)部通孔526(除了露出電加熱膜528的通孔526的那些部分)的基板525的整個表面層上。催化劑536是通過氧化導(dǎo)熱板527和529的表面層以將表面層改變成多孔金屬氧化物并在作為承載體的多孔金屬氧化物的表面層上支撐催化劑組分(Cu/ZnO基催化劑)獲得的?；?25的一部分延伸到反應(yīng)器主體501的外部，結(jié)果電流/電壓從外部施加到電加熱膜525。在平面方向上基板525的厚度小于基板525的長度和寬度。
在第二個實(shí)施例中，CO選擇氧化器16包括具有基板625的通道結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器主體601?；旧系韧诘谝粋€實(shí)施例的CO選擇氧化器6的相應(yīng)部分的圖5中的第二個實(shí)施例的CO選擇氧化器16的那些部分被給出相同的附圖標(biāo)記，以避免對對應(yīng)于CO選擇氧化器6的基本等同部分的CO選擇氧化器16的那些部分重復(fù)多余的描述，并將描述CO選擇氧化器16和CO選擇氧化器6之間的差異。
CO選擇氧化器16中的基板625是包括兩個金屬板或者導(dǎo)熱板627和629以及夾在導(dǎo)熱板627和629之間的電加熱膜628的復(fù)合板。導(dǎo)熱膜628，如同電加熱膜608一樣，是電阻性的發(fā)熱器或者Ta-Si-O-N、Au或者碳的半導(dǎo)體發(fā)熱器。當(dāng)電加熱膜628保持在導(dǎo)熱板627和629之間時，在基板625的任何外表面不形成電加熱膜、絕緣膜和保護(hù)絕緣膜。盡管導(dǎo)熱板627和629，如同基板605一樣，由金屬，例如鋁、鈰、鈦或者硅構(gòu)成，但是用于導(dǎo)熱板627的金屬類型可以不同于用于導(dǎo)熱板629的金屬。導(dǎo)熱板627和反應(yīng)器主體601中的區(qū)域610相對，然而導(dǎo)熱板629和區(qū)域611相對。多個通孔626同樣從基板625的一個表面貫穿到另一個表面，并允許區(qū)域610和區(qū)域611連通。催化劑636形成在包括內(nèi)部通孔626(除了露出電加熱膜628的通孔626的那些部分)的基板625的整個表面層上。催化劑636是通過氧化導(dǎo)熱板627和629的表面層以將表面層改變成多孔金屬氧化物并在作為承載體的多孔金屬氧化物的表面層上支撐催化劑組分(Cu/ZnO基催化劑)獲得的。基板625的一部分延伸到反應(yīng)器主體601的外部，結(jié)果電流/電壓從外部施加到電加熱膜625。在平面方向上基板625的厚度小于基板625的長度和寬度。
在制造汽化器13的時候，制備重整器15和CO選擇氧化器16、基板325、525和626并通過光刻技術(shù)分別在基板325、525和626上形成通孔326、526和626。然后通過陽極氧化將基板525和625的表面層變成多孔的金屬氧化物，以及催化劑組分支撐在基板525和625的表面上?；?25、525和625保持在相關(guān)的反應(yīng)器主體301、501和601中。
在汽化器13中，重整器15和CO選擇氧化器16、電加熱膜328、528和628電力地產(chǎn)生熱量，加熱基板325、525和626，并由此加熱催化劑536和636。當(dāng)啟動燃料泵4時，按照命名順序燃料流過汽化器13、重整器15、CO選擇氧化器16和燃料電池7。在汽化器13中，燃料從區(qū)域310經(jīng)過通孔326流到區(qū)域311，并進(jìn)一步被加熱到汽化。在重整器15中，汽化的燃料從區(qū)域510經(jīng)過通孔526流到區(qū)域511，并由燃料產(chǎn)生氫氣和二氧化碳等。在CO選擇氧化器16中，在重整器15中產(chǎn)生的混合氣體從區(qū)域610經(jīng)過通孔626流到區(qū)域611，并通過氧化去除一氧化碳。
在實(shí)施例中當(dāng)多個通孔326、526和626貫穿相關(guān)的基板325、525和625時，在通孔326、526和626中流動的燃料的壓力損耗變得更小。當(dāng)通孔326、526和626不彎曲時，特別地，壓力損耗可能變得更小。
當(dāng)電加熱膜328、528和628的每一個保持在相關(guān)的導(dǎo)熱板之間時，催化劑組分可以支撐在基板325、525或者625的表面層的大部分上面。
盡管在第一個實(shí)施例中通道結(jié)構(gòu)302、502和602保持在獨(dú)立的反應(yīng)器主體301、501和601中，但是在第三個實(shí)施例中，通道結(jié)構(gòu)302、502和602保持在同一反應(yīng)器主體21中，如圖6和7所示。圖6是具有整體的汽化器、重整器和CO選擇氧化器透視圖，以及圖7是沿著圖6的線VII-VII在反應(yīng)器主體21的厚度方向切開的反應(yīng)器20的橫截面圖。在發(fā)電機(jī)1中使用圖6和7所示的代替了圖1所示的所有汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的反應(yīng)器20。
反應(yīng)器主體21具有形成在其中的內(nèi)部空間。反應(yīng)器主體21配備有流入管22、流出管23和從內(nèi)部空間延伸到反應(yīng)器主體1的外部的空氣管24。流入管22設(shè)置在反應(yīng)器主體21的頂壁上，流出管23設(shè)置在和流入管22相對的底壁上，以及空氣管24設(shè)置在反應(yīng)器主體21的側(cè)壁上。流入管22和燃料泵4連通，流出管23和燃料電池7的燃料電極連通，以及空氣泵24和空氣泵8連通。
圖6和7所示的通道結(jié)構(gòu)302、502分別和第一實(shí)施例的相同。和第一個實(shí)施例的通道結(jié)構(gòu)302、502和602的相應(yīng)部分相同的圖6和7的那些部分被給出相同的附圖標(biāo)記，以避免對圖6和7所示的通道結(jié)構(gòu)302、502和602的重復(fù)多余描述。
在反應(yīng)器主體21中，以命名順序從流入管22朝著流出管23布置通道結(jié)構(gòu)302的基板305、通道結(jié)構(gòu)502的基板505和通道結(jié)構(gòu)602的基板605?；?05的一個表面和流入管22相對，基板605的另一表面和流出管23相對，以及基板305、505和605平行地彼此相對?；?05將反應(yīng)器主體21的內(nèi)部空間分隔成流入管22側(cè)的區(qū)域25和基板305和基板505之間的流入管22，基板505將反應(yīng)器主體21的內(nèi)部空間分隔成區(qū)域26和基板505和基板605之間的區(qū)域27，以及基板605將反應(yīng)器主體21的內(nèi)部空間分隔成區(qū)域27和流出管23側(cè)的區(qū)域28。空氣管24與基板505和基板605之間的區(qū)域27相對。
每個基板305、505和605的一部分延伸到反應(yīng)器主體21的外部，并且線314和315、514和515或者614和615形成在從反應(yīng)器主體21露出的那部分上。線314和315與基板305整體形成在電加熱膜308上，線514和515與基板505整體形成在電加熱膜508上，以及線614和615與基板605整體形成在電加熱膜608上。
在反應(yīng)器20中，電加熱膜328、528和628電力地產(chǎn)生熱量，加熱基板305、505和605并由此加熱催化劑516和616。當(dāng)啟動燃料泵4時，從流入管22將燃料施加給反應(yīng)器主體21。當(dāng)燃料從區(qū)域25經(jīng)過通孔306流到區(qū)域26時，加熱燃料并汽化。當(dāng)汽化的燃料從區(qū)域26經(jīng)過通孔506流到區(qū)域17時，從燃料產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。當(dāng)產(chǎn)生的混合氣體從區(qū)域27經(jīng)過通孔606流到區(qū)域28時，通過氧化去除混合物中的一氧化碳。
在實(shí)施例中當(dāng)通孔306、506和606貫穿相關(guān)的基板305、505和605時，在通孔306、506和606中流動的燃料的壓力損耗變得更小。當(dāng)通孔306、506和606不彎曲時，特別地，可以減小壓力損耗。
本發(fā)明不局限于該實(shí)施例，而是在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的條件下可以作出多種變型和設(shè)計改變。
在實(shí)施例中盡管電加熱膜308、508和608的每一個形成在相關(guān)的一個基板305、505和605的一個表面上，但是，例如電加熱膜可以形成在另一表面上或者可以形成在兩個表面上。在第三個實(shí)施例中，可以使用第二個實(shí)施例中的基板325、525和625代替基板305、505和605。
盡管實(shí)施例中燃料泵4是向汽化器3、汽化器13和反應(yīng)器20提供液體燃料的結(jié)構(gòu)，但是可以通過噴墨打印機(jī)的噴頭(微滴排放噴頭)將作為微滴的燃料提供給汽化器3、汽化器13和反應(yīng)器20。對于汽化器3，例如可以在反應(yīng)器主體301的頂壁的內(nèi)表面以和通孔306相對的方式布置多個微滴放電噴頭，使得微滴放電噴頭向通孔306注射作為微滴的燃料以向汽化器3提供燃料。
盡管通過光刻技術(shù)利用抗蝕掩?？涛g基板305、505和605，但是可以使用金屬掩膜通過噴砂處理形成通孔306、506和606。
圖8是汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的透視圖，以及圖9是沿著圖8的線IX-IX在厚度方向切開的汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的橫截面圖。
如圖8和9所示，汽化器3具有箱體體的反應(yīng)器主體701，和保持在反應(yīng)器主體701的通道結(jié)構(gòu)702，該箱體體具有形成其中的內(nèi)部空間。
反應(yīng)器主體701形成為具有內(nèi)部空間的矩形或者立方體型的盒子。反應(yīng)器主體701由具有相對低導(dǎo)熱率的絕熱材料構(gòu)成，例如玻璃或者陶瓷。反應(yīng)器主體701配備有流入管和預(yù)反應(yīng)器主體701的內(nèi)部空間和外部連通的流出管704。流入管703設(shè)置在和反應(yīng)器主體701中的流出管704相對的位置。在實(shí)施例中，流出管703設(shè)置在反應(yīng)器主體701的頂壁上，流出管704在反應(yīng)器主體701的底壁上。流入管703和燃料泵4連通，流出管704和重整器5的流入管503連通，這將這后面描述。
作為基本結(jié)構(gòu)，通道結(jié)構(gòu)702包含導(dǎo)電石墨或者多孔活性炭的碳基基板705。碳基基板705是電熱產(chǎn)生電阻，其具有適當(dāng)電阻率的導(dǎo)電性并且當(dāng)由電壓施加部件9施加電流/電壓時產(chǎn)生熱量。相對于包含在通孔706中流動的流體的物質(zhì)，碳基基板705具有不良反應(yīng)和極高的熱導(dǎo)率，使得在基板的整個表面上更容易地保證均勻的溫度，并具有低的熱膨脹系數(shù)，使得如果加熱，催化劑很難分解。在平面方向上，碳基基板705的厚度小于長度和寬度。
從碳基基板705的一個表面貫穿到另一個表面并充當(dāng)通道的多個通孔706形成在碳基基板705上，以這種方式形成多個通孔706，使得沿著基板705的長度方向彼此平行，并直線延伸以使得不會中途彎曲。參考作為碳基基板705的一部分的平面圖的圖10，通孔706具有六邊形的橫截面，并布置成蜂窩狀圖樣。通孔706不必形成為蜂窩狀，而是可以采用其它的形式，例如三角形、長方形、多與長方形的多邊形、圓形或者橢圓形。具有以平面圖看到的基板705，通孔706不必布置成蜂窩狀圖形，而是可以布置成二維排列(例如矩陣形式)。
在碳基基板705的一部分頂表面上和燃料反應(yīng)不相關(guān)的金屬氧化膜可以形成為保護(hù)膜。
碳基基板705保持在反應(yīng)器主體701中，并通過上支撐部分712遠(yuǎn)離反應(yīng)器主體701的頂壁支撐，和通過下支撐部分713遠(yuǎn)離反應(yīng)主體701的底壁支撐。通過碳基基板705將反應(yīng)器主體701的內(nèi)部空間分隔成流入管703側(cè)的區(qū)域710和流出管704側(cè)的區(qū)域711。碳基基板705的一個表面和反應(yīng)器主體701的頂壁相對，然而碳基基板705的另一表面和反應(yīng)器主體701的底壁相對，流入管703側(cè)的區(qū)域710和流出管704側(cè)的區(qū)域711通過通孔706連通。因此，通孔706充當(dāng)從流入管703側(cè)的區(qū)域到流出管704側(cè)的區(qū)域的通道。
如圖8所示，碳基基板705的四側(cè)的相對兩側(cè)分別延伸到反應(yīng)器主體701的相對兩側(cè)外部。由電壓施加部件9將電壓施加在延伸的兩側(cè)之間，使得碳基基板705電力地產(chǎn)生熱量。在碳基基板705貫穿反應(yīng)器主體701的部分密封碳基基板705和反應(yīng)器主體701之間的界面。
當(dāng)金屬氧化膜形成在碳基基板705的頂表面上時，優(yōu)選的是，金屬氧化膜應(yīng)當(dāng)被分隔到反應(yīng)器主體701的外部，以露出碳基基板705的頂表面。
如圖8和9所示，如同汽化器3一樣，重整器5具有作為箱體體的反應(yīng)器主體801和保持在反應(yīng)器主體801中的通道結(jié)構(gòu)802，該箱體體具有形成在其中的內(nèi)部空間。在圖8和9中，基本上等同于汽化器3的對應(yīng)部分的重整器5的那些部分，例如基本上等同于反應(yīng)器主體701的反應(yīng)器主體801被給出五百的附圖標(biāo)記，其較低的兩位和汽化器3的對應(yīng)部分的附圖標(biāo)記的較低兩位數(shù)字相同。將省略對應(yīng)于汽化器的基本上等同部分的重整器5的那些部分的描述，并將描述重整器5和汽化器3的區(qū)別。
在重整器5中，流入管803和汽化器3的流出管704連通，流出管804和CO選擇氧化器6的流出管903連通。
碳基基板805保持在反應(yīng)器主體801中，并通過上支撐部分812遠(yuǎn)離反應(yīng)器主體801的頂壁支撐，和通過下支撐部分813遠(yuǎn)離反應(yīng)主體801的底壁支撐。在重整器5中，碳基基板805的整個表面層是支撐催化劑816的多孔膜。因此，催化劑816形成在甚至在通孔806中的碳基基板805的表面層上。催化劑816是和作為承載體的表面層一起支撐在碳基基板805的表面層上的催化劑組分。在重整器5中，Cu/ZnO基催化劑作為碳基基板805的表面層上的催化劑組分支撐。
可以不用作為充當(dāng)承載體的碳基基板805的表面層支撐催化劑816。例如催化劑816可以是支撐在形成為碳基基板805的表面層上的承載體的多孔金屬氧化物(例如氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦或者氧化鈰)的催化劑組分。多孔金屬氧化物可以是不包含在燃料的反應(yīng)中(參見上述的化學(xué)方程式1)的金屬氧化物，或者在燃料的反應(yīng)中有效的金屬氧化物。在平面方向上碳基基板805的厚度小于長度和寬度。通孔806以這種方式形成在碳基基板805上，使得沿著基板805的長度方向彼此平行，并直線延伸以使得不會中途彎曲。
如圖8和9所示，如同汽化器3一樣，CO選擇氧化器6具有作為箱體體的翻譯功能主體901和保持在反應(yīng)器主體901中的通道結(jié)構(gòu)，該箱體體具有形成在其中的內(nèi)部空間。在圖8和9中，基本上等同于汽化器3的對應(yīng)部分的CO養(yǎng)護(hù)期6的那些部分，例如基本上等同于絕緣膜707絕緣膜907被給出六百的附圖標(biāo)記，其較低的兩位數(shù)字和汽化器3的對應(yīng)部分的附圖標(biāo)記的較低兩位數(shù)字相同，以避免對應(yīng)于汽化器的基本等同部分的CO選擇氧化器6的那些部分的重復(fù)多余描述。下述將描述CO選擇氧化器6和汽化器3的不同。
在CO選擇氧化器6中，除了流入泵903和流出泵904之外反應(yīng)器主體901配備有空氣泵917。空氣泵917和位于流入管903側(cè)的反應(yīng)器主體901的內(nèi)部空間中的區(qū)域910相對?？諝夤?17和空氣泵8連通。流入管903和重整器5的流出管804連通，以及流出管904和燃料電池7的燃料電極連通。
碳基基板905保持在反應(yīng)器主體901中，并通過上支撐部分912遠(yuǎn)離反應(yīng)器主體901的頂壁支撐，和通過下支撐部分913遠(yuǎn)離反應(yīng)主體901的底壁支撐。
在CO選擇氧化器6中，催化劑916形成在碳基基板905的整個多孔表面層上(包括通孔906內(nèi)的表面層)。用于一氧化碳的氧化反應(yīng)的催化劑916是和充當(dāng)承載體的多孔膜一起支撐在碳基基板905的表面層上的多孔膜上的催化劑組分。在CO選擇氧化器6中，Pt基催化劑作為碳基基板905的多孔膜上的催化劑組分支撐。
催化劑916可以不和充當(dāng)承載體的碳基基板905的表面層一起支撐。例如，催化劑916可以是支撐在形成為碳基基板905的表面層上的承載體的多孔金屬氧化物(例如，氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦或者氧化鈰)的催化物組分。多孔金屬氧化物可以是不包含在燃料的反應(yīng)中的金屬氧化物，或者在燃料的反應(yīng)中有效的金屬氧化物。當(dāng)催化劑916支撐在充當(dāng)承載體的多孔金屬氧化物上時，優(yōu)選的是，金屬氧化膜應(yīng)當(dāng)分隔到反應(yīng)器主體901的外部，以露出碳基基板905的頂表面。在平面方向上碳基基板905的厚度小于碳基基板905的長度和寬度。通孔906以這種方式形成在碳基基板905上，使得沿著基板905的長度方向彼此平行，并直線延伸以使得不會中途彎曲。
下面將描述制造汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的方法。
首先，制備表示足夠高的導(dǎo)電性以充當(dāng)具有多孔表面層的發(fā)熱電阻器和高電阻率的平面碳基基板705、805和905，金屬掩模形成在碳基基板705、805和905上，用其上的金屬掩膜依次刻蝕它們。結(jié)果，在碳基基板705、805和905中分別形成多個通孔706、806和906。通過將微顆粒噴砂到碳基基板705、805和905的頂表面(噴砂處理)，通孔706、806和906可以形成在碳基基板705、805和905中。
接下來，通過在碳基基板805和905的多孔表面層上支撐組分形成催化劑816和916(包括通孔806和906內(nèi)部的多孔表面層)。在碳基基板805和905的表面層上支撐催化劑組分的方法可以是浸漬方法(其在碳基基板805和905上涂覆催化劑漿溶液)。
當(dāng)碳基基板805和905的表面層不能充當(dāng)承載體時，通過溶膠凝膠法、浸漬涂布法等在碳基基板805和905的表面層上(包括通孔806和906中的表面)形成(涂覆)多孔金屬氧化膜并在多孔金屬氧化膜上支撐催化劑組分，形成催化劑816和916。
然后，將碳基基板705、805和905保持在相關(guān)的反應(yīng)器主體710、801和901中，以將反應(yīng)器主體701、801和901的每一個的內(nèi)部空間分隔成流入管710、803和903側(cè)上的區(qū)域710、810和910和流出管704、804、904側(cè)上的區(qū)域711、811、911。通過通孔706、806、906使流入管710、803和903側(cè)上的區(qū)域710、810和910和流出管704、804、904側(cè)上的區(qū)域711、811、911連通，以及使碳基基板705、805和905的每一個的兩相對側(cè)延伸到與反應(yīng)器主體701、801和901相關(guān)的一個的外部。
將描述發(fā)電機(jī)1的操作。
當(dāng)通過電壓施加部件9向碳基基板705、805和905的每一個施加電壓/電流時，碳基基板705、805和905產(chǎn)生熱量，由此加熱催化劑816和916。
當(dāng)啟動燃料泵4時，燃料從燃料箱體體2提供到汽化器3的反應(yīng)器主體701中。當(dāng)起動空氣泵8時，將空氣從外部經(jīng)過CO選擇氧化器6提供到反應(yīng)器主體901中區(qū)域910中。
在汽化器3中，燃料從反應(yīng)器主體701中的區(qū)域710經(jīng)過通孔706流到區(qū)域711。當(dāng)燃料流過通孔706時，燃料接觸碳基基板705的頂表面并由此被加熱和汽化。因?yàn)樘蓟?05中的多個通孔的形成增加了碳基基板705的表面面積，燃料和碳基基板705之間的接觸面積變大，使得燃料更容易汽化。
汽化的燃料(甲醇和水的混合物)施加到重整器5的反應(yīng)器主體801中，穿過流出管704和流入管803。在重整器5中，燃料從反應(yīng)器主體801中的區(qū)域810經(jīng)過通孔806流到區(qū)域811中。在反應(yīng)器主體810中，燃料接觸催化器816并被加熱，產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。具體地，甲醇和水蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和氫氣，如在化學(xué)方程式1中所示的。
可能存在這樣的情形，在反應(yīng)器主體801中甲醇和水蒸汽沒有完全被重整為二氧化碳和氫氣。在這種情形中，甲醇和水蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和一氧化碳，如在化學(xué)方程式2中所示的。
將在重整器5中產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化碳和氫氣等的混合氣體經(jīng)過流出管804和流入管903提供到CO選擇氧化器的反應(yīng)器主體中。經(jīng)過空氣管917，將外部空氣提供到反應(yīng)器主體901中。然后，已經(jīng)被提供到反應(yīng)器主體901中的區(qū)域910混合氣體從反應(yīng)區(qū)主體901中的區(qū)域910經(jīng)過通孔906流到區(qū)域911。在反應(yīng)器主體901中，選擇地氧化反應(yīng)器主體901中包含在從重整器5提供混合氣體中的一氧化碳，來去除一氧化碳。具體地，特別選自從重整器5提供的混合氣體的一氧化碳和空氣中的氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳，如在化學(xué)方程式3中所示的。
然后，將反應(yīng)主體901中的混合氣體經(jīng)過流出管904施加給燃料電池7的燃料電極。在燃料電池7的燃料電極上，通過燃料電極的催化劑微粒的作用將施加的混合氣體中的氫氣氣體分離成氫離子和電子，如在電化學(xué)方程式4中所示的。
在施加給燃料電池7的燃料電極的混合氣體中，對電化學(xué)反應(yīng)沒有用的產(chǎn)物(二氧化碳等)排放到外面。
將空氣施加給燃料電池7的空氣電極。如電化學(xué)化學(xué)方程式5所示，空氣中的氧氣和已經(jīng)經(jīng)過固體聚合物電解質(zhì)膜的氫離子與從燃料電極獲得的電子反應(yīng)，由此產(chǎn)生水作為產(chǎn)物。
在施加到燃料電池7的空氣電極的空氣中，將對電化學(xué)反應(yīng)沒有用的氣體(氮?dú)獾?和產(chǎn)生的水排除到外面。
在發(fā)電機(jī)1中，在燃料電池7中發(fā)生方程式4和5表示的電化學(xué)化學(xué)反應(yīng)。產(chǎn)生的電能用于啟動電子裝置的主體和燃料泵4。
在實(shí)施例中當(dāng)導(dǎo)電的碳基基板705、805和905用作支撐催化劑的承載體時，碳基基板705、805和905因?yàn)槭┘拥碾娏?電壓自產(chǎn)生熱量。這排除了在反應(yīng)器主體701、801和901中需要單獨(dú)的加熱器、電加熱膜等，由此簡化了汽化器3的結(jié)構(gòu)、重整器5和CO選擇氧化器6。
當(dāng)燃料直接和自產(chǎn)生熱量的碳基基板705、805和905接觸時，可以使基板的頂表面的溫度均勻，保證有效的和均勻的燃料反應(yīng)。
當(dāng)多個通孔706、806和906穿過相關(guān)的碳基基板705、805和905時，在通孔706、806和906中流動的燃料的壓力損耗變得更小。因?yàn)橛赏?06、806和906形成的通道沒有彎曲，尤其是流體直線流動，使得可以降低壓力損耗。
當(dāng)在相關(guān)的基板805和905中形成多個通孔806、906時，可以在通孔806、906的壁上支撐多個催化劑組分，用于通孔806、906的總?cè)萘俊＿@使得燃料和催化劑516、616之間的接觸面積變大，結(jié)果通過催化劑516、616更有效地進(jìn)行反應(yīng)物的反應(yīng)。而且，當(dāng)通孔806、906直線延伸時，可以抑制通孔806、906中的壓力損耗，甚至當(dāng)支撐的催化劑組分的數(shù)量變得更大時。
當(dāng)通孔706、806和906的每一個的橫截面面積變得更小時，通過增加貫穿相關(guān)的碳基基板705、805和905的通孔706、806和906的數(shù)量來增加反應(yīng)器主體701、801、901的每個通孔706、806和906的壁面積，產(chǎn)生燃料的有效反應(yīng)。而且，通孔706、806和906的數(shù)量的增加可以增加流動的反應(yīng)物的數(shù)量。
盡管在第四個實(shí)施例中通道結(jié)構(gòu)702、802和902保持在獨(dú)立的反應(yīng)器主體701、801和901，但是在第五個實(shí)施例中通道結(jié)構(gòu)702、802和902保持在相同的反應(yīng)器主體21中，如圖11和12所示。圖11是反應(yīng)器20的透視圖，具有整體的汽化器、重整器和CO選擇氧化器，以及圖12是沿著圖11的線XII-XII在反應(yīng)器主體21的厚度方向切開的反應(yīng)器21的橫截面圖。在圖11和12所示的代替圖1所示的汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的全部的反應(yīng)器20用于發(fā)電機(jī)1中。
反應(yīng)器主體21具有形成在其中內(nèi)部空間。反應(yīng)器主體21配備有從內(nèi)部空間延伸到反應(yīng)器主體1的外部的流入管22、流出管23和空氣管24。流入管22設(shè)置在反應(yīng)器主體21的頂壁上，流出管23設(shè)置在和流出管22相對的底壁上，空氣泵24設(shè)置在反應(yīng)器主體21的側(cè)壁上。流入管22和燃料泵4連通，流出管23和燃料電池7的燃料電極連通，以及空氣泵24和空氣泵8連通。
圖11和12所示的通道結(jié)構(gòu)702、802和902分別和第四個實(shí)施例的相同。和第四個實(shí)施例的通道結(jié)構(gòu)702、802和902的對應(yīng)部分相同的圖11和12的那些部分被給出相同的附圖標(biāo)記，以避免對圖11和12中所示的通道結(jié)構(gòu)702、802和902的各個部分的重復(fù)多余描述。
在反應(yīng)器主體21中，以命名的順序從流入管22道流出管23布置通道結(jié)構(gòu)702的碳基基板705、通道802的碳基基板805和通道結(jié)構(gòu)902的碳基基板905。碳基基板705的一個表面和流入管22相對，碳基基板905的另一表面流出管23相對，以及基板705、805和905彼此平行相對。碳基基板705將反應(yīng)器主體21的內(nèi)部空間分隔成流入管22側(cè)上的區(qū)域25和碳基基板705和碳基基板805之間的區(qū)域26，碳基基板805將反應(yīng)器主體21的內(nèi)部空間分隔成碳基基板805和碳基基板905之間的區(qū)域26和27，以及碳基基板905將反應(yīng)器主體21的內(nèi)部空間分隔成流出管23側(cè)的區(qū)域27和區(qū)域28?？諝夤?4和碳基基板805和碳基基板905之間的區(qū)域27相對。
碳基基板705的四側(cè)的相對兩側(cè)分別延伸到反應(yīng)器主體21的相對兩側(cè)外部。由電壓施加部件9在延伸的兩側(cè)之間施加電壓，使得碳基基板705、805和905電力地產(chǎn)生熱量。
在反應(yīng)器20中，用產(chǎn)生熱量的碳基基板705、805和905，當(dāng)啟動燃料泵4時，從流入管22將燃料施加給反應(yīng)器主體21。當(dāng)燃料從區(qū)域25經(jīng)過通孔706流到區(qū)域26時，燃料被加熱和汽化。當(dāng)汽化的燃料從區(qū)域26經(jīng)過通孔806流到區(qū)域27時，從燃料產(chǎn)生氫氣和二氧化碳等。當(dāng)產(chǎn)生的混合物從區(qū)域27經(jīng)過通孔906流到區(qū)域28時，通過氧化從混合物中去除一氧化碳。
在實(shí)施例中當(dāng)多個通孔706、806和906貫穿相關(guān)的碳基基板705、805和905時，在通孔706、806和906中流動的燃料的壓力損耗變得更小。當(dāng)通孔706、806和906不彎曲時，特別地，可以減小壓力損耗。當(dāng)導(dǎo)電的碳基基板705、805和905因?yàn)槭┘拥碾娏?電壓自產(chǎn)生熱量時，不必在反應(yīng)器主體701、801和901種設(shè)置加熱器、電加熱膜等，由此簡化了汽化器3、重整器5和CO選擇氧化器6的結(jié)構(gòu)。當(dāng)燃料直接和自產(chǎn)生熱量的碳基基板705、805和905接觸時，有效的發(fā)生燃料的反應(yīng)。而且，從碳基基板705、805和905產(chǎn)生的熱量的量可以有效地用于燃料反應(yīng)中。
本發(fā)明不局限于實(shí)施例，而是在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的條件下可以作出各種變形和設(shè)計改變。
盡管燃料泵4是向汽化器3、汽化器13和反應(yīng)器20提供液體燃料的結(jié)構(gòu)，但是可以通過噴墨打印機(jī)的噴頭(微滴排放噴頭)將作為微滴的燃料提供給汽化器3和反應(yīng)器20。例如，可以在反應(yīng)器主體21、701的頂壁的內(nèi)表面以和通孔706相對的方式布置多個微滴放電噴頭，使得微滴放電噴頭向通孔706注射作為微滴的燃料以提供燃料。
盡管在實(shí)施例的上述描述中沒有具體描述碳基基板的制備，但是通過在沒有導(dǎo)致改變，例如在微反應(yīng)的溫度時熔化的粘合劑中混合活性炭粉末和石墨的至少一種，并然后燒結(jié)得到的產(chǎn)物，可以形成碳基基板。
在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下可以對此作出多種實(shí)施例和變化。上述實(shí)施例旨在描述本販賣能夠，不限制本發(fā)明的范圍。通過附帶的權(quán)利要求而不是實(shí)施例表示本發(fā)明的范圍。和本發(fā)明的權(quán)利要求意義等價和在權(quán)利要求內(nèi)作出的多種變型被認(rèn)為落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種反應(yīng)器，包括反應(yīng)器主體(21，301，501，601)，具有形成在其中的內(nèi)部空間；和基板(305，505，705，325，525，725)，將其插入使得將所述反應(yīng)器主體(21，301，501，601)的所述內(nèi)部空間分隔成兩個區(qū)域，并且穿過所述基板在厚度方向上鉆出多個通孔(306，506，606)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中，所述基板(305，505，705，325，525，725)的表面層被氧化，包括所述通孔(306，506，606)被氧化，以及催化劑(516，616)支撐在所述氧化的表面層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中，電加熱膜(308，508，608)形成在所述基板(305，505，705)的兩個表面的至少一個上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中，所述基板(325，525，725)包括夾在所述金屬層之間的兩個金屬板(327，329，527，529，627，629)和電加熱膜(328，528，628)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中所述通孔(306，506，606)以這種方式形成，使得沿著所述基板(305，505，705，325，525，725)的長度方向彼此平行，并且直線延伸以使得不會中途彎曲。
6.根據(jù)權(quán)利要1的反應(yīng)器，其中，所述反應(yīng)器主體(21)具有重整器(5)，所述重整器(5)包括具有多個通孔(506)的基板(505)，以及重整燃料并將所述重整的燃料提供給燃料電池(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中，所述反應(yīng)器主體(21)具有汽化器(3)和氫氣重整器(5)，所述汽化器(3)包括具有多個通孔(306)的基板(305)，所述氫氣重整器(5)包括具有多個通孔(506)的基板(505)。
8.一種發(fā)電機(jī)，包括如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器(20)，其包括具有重整燃料并將所述重整的燃料提供給燃料電池(7)的重整器(5)的反應(yīng)器主體(21)；和所述燃料電池(7)，利用通過所述重整器(5)重整的所述燃料產(chǎn)生電力。
9.一種反應(yīng)器，包括反應(yīng)器主體(21，701，801，901)，具有形成在其中的內(nèi)部空間；和電阻器基板(705，805，905)，將其插入使得將所述反應(yīng)器主體(21，701，801，901)的所述內(nèi)部空間分隔成兩個區(qū)域，并且穿過所述電阻器基板在厚度方向上鉆出多個通孔(706，806，906)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的反應(yīng)器，其中，所述電阻器基板(705，805，905)具有碳基材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的反應(yīng)器，還包括電壓施加部件(9)，用于直接將電壓施加到所述電阻器基板(705，805，905)，以從所述電阻器基板(705，805，905)產(chǎn)生熱量。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的反應(yīng)器，其中，催化劑組分支撐在包括所述通孔(706，806，906)的所述電阻器基板(705，805，905)的表面層上。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的反應(yīng)器，其中，支撐膜形成在包括所述通孔(706，806，906)的所述電阻器基板(705，805，905)的表面層上，以及催化劑組分支撐在所述支撐膜上。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的反應(yīng)器，其中，所述通孔(706，806，806)以這種方式形成，使得沿著所述電阻器基板(705，805，905)的長度方向彼此平行，并且直線延伸以使得不會中途彎曲。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的反應(yīng)器，其中，所述反應(yīng)器主體(21)具有重整器(5)，其包括具有多個通孔(806)的基板(805)，以及重整燃料并將所述重整的燃料提供給燃料電池(7)。
16.根據(jù)權(quán)利要9的反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器主體(21)具有汽化器(3)和氫氣重整器(5)，所述汽化器(3)包括具有多個通孔(706)的基板(705)，所述氫氣重整器(5)包括具有多個通孔(806)的基板(805)。
17.一種發(fā)電機(jī)，包括如權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器(20)，其包括具有重整燃料并將所述重整的燃料施加給燃料電池(7)的重整器(5)的反應(yīng)器主體(21)；和所述燃料電池(7)，利用通過所述重整器(5)重整的所述燃料產(chǎn)生電力。
18.一種發(fā)電機(jī)，包括反應(yīng)器，包括具有形成在其中的內(nèi)部空間的反應(yīng)器主體(21，501，601)；和基板(505，525，805)，將其插入以使得將所述反應(yīng)器主體(21，501，801)的所述內(nèi)部空間分隔成兩個區(qū)域，并穿過所述基板在厚度方向上鉆出多個通孔(506，806)，使得當(dāng)燃料穿過所述通孔(506，806)時被重整；燃料電池(7)，利用由所述基板(505，525，805)重整的流體產(chǎn)生電力；和負(fù)載(4)，通過所述燃料電池(7)產(chǎn)生的電能來運(yùn)行。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的反應(yīng)器，還包括加熱部件(9)，其直接將電壓施加到所述基板(505，525，805)以加熱所述基板(505，525，805)。
全文摘要
公開了一種能夠減小壓力損耗并支撐大量催化劑的緊湊型反應(yīng)器和具有該反應(yīng)器的發(fā)電機(jī)。重整器(5)包括反應(yīng)器主體，具有形成在其中的內(nèi)部空間；以及通道結(jié)構(gòu)(502)，保持在反應(yīng)器主體(502)。通道結(jié)構(gòu)(502)具有基板(505)作為它的基本結(jié)構(gòu)。在基板(505)中形成多個通孔(506)以在反應(yīng)器主體(501)中連接區(qū)域(510)和區(qū)域(511)。氧化基板(505)的表面層以變成多孔的金屬氧化物，以及催化劑組分支撐在該表面層上。
文檔編號B01J8/02GK1806360SQ20058000048
公開日2006年7月19日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者小椋直嗣, 河村義裕, 鹽谷雅治 申請人:卡西歐計算機(jī)株式會社