專(zhuān)利名稱：化學(xué)反應(yīng)器和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)反應(yīng)器和燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在化學(xué)反應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)公知一種化學(xué)反應(yīng)器，其中一種流體材料在襯底上形成的流動(dòng)通道上流動(dòng)，以便通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成所需要的流體材料。一些這樣的傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)器尺寸小，并且具有通過(guò)使用用于半導(dǎo)體集成電路等的半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)中積累的微制造技術(shù)，在一個(gè)小尺寸的襯底上形成的微米或毫米量度的流動(dòng)通道。PCT國(guó)家公開(kāi)NO.2001-524019中，給出了具有多個(gè)層疊襯底，在該多個(gè)層疊襯底上形成用于反應(yīng)流體的流動(dòng)通道的化學(xué)微反應(yīng)器。這樣的化學(xué)反應(yīng)器通過(guò)加熱反應(yīng)爐促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)爐本身是小的，因此具有的優(yōu)勢(shì)在于可以將熱量均勻傳遞，并均勻地引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。
在引發(fā)了多個(gè)反應(yīng)的一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器中，適合每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的溫度可能不同，因此需要對(duì)溫度進(jìn)行局部改變。
因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，提供了一種化學(xué)反應(yīng)器和燃料電池系統(tǒng)，可以進(jìn)行多個(gè)化學(xué)反應(yīng)，并可以簡(jiǎn)化整個(gè)反應(yīng)器并使其尺寸變小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種化學(xué)反應(yīng)器，包括一第一反應(yīng)部分，其具有第一流動(dòng)通道并在該第一流動(dòng)通道中引發(fā)第一反應(yīng)；一對(duì)第一反應(yīng)部分進(jìn)行加熱的加熱部分；
一第二反應(yīng)部分，其具有第二流動(dòng)通道，并利用由加熱部分經(jīng)由第一反應(yīng)區(qū)傳輸?shù)臒崃?，在第二流?dòng)通道中引發(fā)第二反應(yīng)。
加熱部分可以對(duì)多個(gè)反應(yīng)部分進(jìn)行加熱，特別是當(dāng)以適合反應(yīng)的不同溫度對(duì)多個(gè)反應(yīng)部分加熱時(shí)，加熱部分可以對(duì)一個(gè)反應(yīng)部分加熱，并經(jīng)這個(gè)反應(yīng)部分對(duì)另一個(gè)反應(yīng)部分加熱，由此在這兩個(gè)反應(yīng)的合適溫度下在它們的反應(yīng)部分內(nèi)引發(fā)反應(yīng)。在其上形成流動(dòng)通道以引發(fā)反應(yīng)的襯底襯底最好是用于這種熱量傳遞，但是如果襯底的導(dǎo)熱性太好，那么到達(dá)需要一個(gè)更低溫度的反應(yīng)部分的熱的溫度可能不是足夠低。在這種情況下，可以通過(guò)在襯底的部分中提供狹縫以阻擋熱傳遞來(lái)調(diào)節(jié)溫度。


圖1是作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括化學(xué)反應(yīng)器的燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)例子的基本部分的框圖；圖2是圖1所示化學(xué)反應(yīng)器基本部分的透視圖；圖3是沿圖2的線III-III切開(kāi)后的橫截面圖；圖4是對(duì)應(yīng)于圖3所示第一襯底的部分的透射平面圖；圖5是對(duì)應(yīng)于圖3所示第二襯底的部分的透射平面圖；圖6是對(duì)應(yīng)于圖3所示第三襯底的部分的透射平面圖；圖7是一個(gè)曲線圖，其給出了汽化流動(dòng)通道、重整流動(dòng)通道和一氧化碳排放通道中溫度隨加熱時(shí)間變化關(guān)系；圖8是圖1所示的一個(gè)燃料電池系統(tǒng)部分和一個(gè)充電部分的示意性結(jié)構(gòu)圖；圖9是與圖3相似的橫截面圖，它示出了作為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的化學(xué)反應(yīng)器的基本部分；圖10依照?qǐng)D9所示的第四襯底的部分平面圖；圖11是與圖3相似的橫截面圖，其示出了作為本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的化學(xué)反應(yīng)器的基本部分；圖12是顯示了局部剖開(kāi)的包括本發(fā)明的化學(xué)反應(yīng)器的燃料電池系統(tǒng)的透視圖。
具體實(shí)施例方式
接著，描述一種作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微型化學(xué)反應(yīng)器，該反應(yīng)器應(yīng)用在一種燃料重整型燃料電池系統(tǒng)的重整反應(yīng)器中。圖1是顯示燃料電池系統(tǒng)1的一個(gè)例子的基本部分的框圖。該燃料電池系統(tǒng)1包括生成燃料部分2、燃燒燃料部分3、微型化學(xué)反應(yīng)器4、燃料電池部分5和充電部分6。
生成燃料部分2包括生成燃料存儲(chǔ)容器，其中密封了生成燃料68(例如甲醇溶液)，并且該生成燃料部分2將生成燃料68提供給微型化學(xué)反應(yīng)器4。燃燒燃料部分3包括燃燒燃料存儲(chǔ)容器，在該容器內(nèi)密封有燃燒燃料69(例如甲醇)被密封，并且該燃燒燃料部分3將燃燒燃料69提供給微型化學(xué)反應(yīng)器4。微型化學(xué)反應(yīng)器4包括對(duì)流體生成燃料68進(jìn)行汽化的生成燃料汽化部分7，對(duì)汽化的生成燃料68進(jìn)行重整的重整反應(yīng)部分8，去除含在重整后的流體中的一氧化碳的一氧化碳去除部分9，用于加熱生成燃料汽化部分7、重整反應(yīng)部分8以及一氧化碳去除部分的燃燒部分10和薄膜加熱器部分11。
圖2是微型化學(xué)反應(yīng)器4的基本部分的透視圖。微型化學(xué)反應(yīng)器4包括第一襯底12，第二襯底13和第三襯底14，它們尺寸小并且互相層壓。三個(gè)襯底12-14被放置在由彼此相連的第一外部面板15和第二外部面板16組成的外部封裝中。換句話講，凹形部分17和18形成在第一外部面板和第二外部面板15和16彼此相對(duì)的表面上，而第一到第三襯底12-14放置在這些凹形部分17和18中。玻璃是用于第一到第三襯底12-14以及第一和第二外部面板15和16的材料的一個(gè)例子，但是具有良好可加工性的硅、陶瓷、金屬單質(zhì)(例如鋁)、金屬合金、金屬化合物等材料可以用于其中將形成后面所描述的流動(dòng)通道的第一襯底12和第三襯底14。
在第一外部面板15的三個(gè)預(yù)定部分中，形成了圓形通孔24、25和26，生成燃料供應(yīng)細(xì)管21的第一末端部分、生成產(chǎn)物釋放細(xì)管22和氧氣供應(yīng)細(xì)管23插入到圓形通孔24、25和26中。在第二外部面板16的三個(gè)預(yù)定部分中，形成了圓形通孔30、31和32，燃燒燃料供應(yīng)細(xì)管27的第一末端部分、燃燒氣體排放細(xì)管28和氧氣供應(yīng)細(xì)管29插入到圓形通孔30、31和32中。在第一外部面板15的預(yù)定部分上，形成了多個(gè)圓形通孔34，多個(gè)電極33的第一末端部分插入到圓形通孔34中。多個(gè)電極33起到信號(hào)配線組的作用，用于對(duì)薄膜加熱器或加熱器部分11進(jìn)行電氣控制，薄膜加熱器部分或加熱器部分11對(duì)后面描述的微型化學(xué)反應(yīng)器4的生成燃料汽化部分7和重整反應(yīng)部分8進(jìn)行加熱，以及用于對(duì)第一微型泵46(見(jiàn)圖1)進(jìn)行電氣控制，其還起到用于發(fā)送和接收信號(hào)的配線的作用，這些信號(hào)包括由用于檢測(cè)微型化學(xué)反應(yīng)器中的溫度的溫度計(jì)部分19所檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)。
圖3是沿圖2中線III-III和圖4的線III-III切開(kāi)得到的橫截面圖。圖4是對(duì)應(yīng)于第一襯底12的一個(gè)部分的透射平面圖。圖5是對(duì)應(yīng)于第二襯底13的一個(gè)部分的透射平面圖；圖6是對(duì)應(yīng)于第三襯底14的一個(gè)部分的透射平面圖。在第一外部面板15的凹部分17的內(nèi)壁表面和第二外部面板16的凹形部分18的內(nèi)壁表面上，除了與圖2所示的圓形傳輸孔24、25、26、30、31、32和34相對(duì)應(yīng)的部分外，設(shè)置有由具有高的熱反射率的金、銀或鋁等金屬制成的熱輻射防護(hù)薄膜35。
在第一到第三襯底12-14的最外表面，即在第一襯底12的上表面(正對(duì)著面對(duì)第二襯底13一側(cè)的表面)和側(cè)面、第二襯底13的側(cè)面和第三襯底14的下表面(正對(duì)著面對(duì)第二襯底13一側(cè)的表面)和側(cè)面。在除了對(duì)應(yīng)圖2所示的圓形傳輸孔24、25、26、30、31、32、34和對(duì)應(yīng)于后面描述的狹縫的部分之外，設(shè)置了由與上面相同的材料構(gòu)成的發(fā)熱防護(hù)膜36。
在位于第一到第三襯底12-14的最外表面上的發(fā)熱或放熱防護(hù)薄膜36和位于第一和第二外部面板15和16內(nèi)表面的發(fā)熱防護(hù)薄膜35之間具有空間或間隙37，以至于從第一到第三襯底12-14釋放的最少熱量被輸送到第一和第二外部面板15和16。在空間37的多個(gè)預(yù)定部分中，提供了多個(gè)承壓襯墊38以支撐第一到第三襯底12-14，并維持小孔37的寬度。多個(gè)承壓襯底38中的兩個(gè)被提供給第一到第三襯底12-14的每一個(gè)表面。
小孔37禁止如后文所述在第一到第三襯底12-14中產(chǎn)生的熱量釋放到大氣中。在小孔37內(nèi)部形成真空，或者用熱導(dǎo)性低的氣體(例如大氣，二氧化碳?xì)怏w或氯氟烴(chlorofluorocarbon))填充小孔37。熱釋放防護(hù)薄膜35和36禁止生成的熱量從第一到第三襯底12-14傳遞到第一和第二外部面板15和16的外部，這些發(fā)熱防護(hù)薄膜中的任何一個(gè)可以被省卻。
如圖4所示，在第一襯底12的內(nèi)表面上，連續(xù)形成汽化流動(dòng)通道槽57、重整流動(dòng)通道槽58和一氧化碳去除流動(dòng)通道槽59。第一襯底12的汽化流動(dòng)通道槽57和第二襯底13的相對(duì)面互相結(jié)合在一起形成了一個(gè)汽化流動(dòng)通道41，流體生成燃料68在該汽化流動(dòng)通道41中在流動(dòng)的同時(shí)被汽化。第一襯底12的重整流動(dòng)通道槽58和第二襯底13的相對(duì)面互相結(jié)合在一起形成了一個(gè)重整流動(dòng)通道42，由汽化后的生成燃料68而得到的流體在該重整流動(dòng)通道42中流動(dòng)的同時(shí)被重整。第一襯底12的一氧化碳去除通道槽59和第二襯底13的相對(duì)面互相結(jié)合形成一個(gè)一氧化碳去除流動(dòng)通道43，由重整后的生成燃料68而得到的流體在該一氧化碳去除流動(dòng)通道43中流動(dòng)的同時(shí)其中所含的一氧化碳被去除。汽化流動(dòng)通道41設(shè)置成從左下角沿順時(shí)針?lè)较驀@第一襯底12的內(nèi)表面(正對(duì)第二襯底13的表面)形成一個(gè)半圓周，其總長(zhǎng)度大于等于1cm并且小于等于10cm。曲折的重整流動(dòng)通道42設(shè)置成在第一襯底12內(nèi)表面的中心部分，從汽化流動(dòng)通道41連續(xù)延伸，其總長(zhǎng)度大于等于3cm并且小于等于20cm，如陰影部分所示。適當(dāng)曲折的一氧化碳去除流動(dòng)通道43設(shè)置成在第一襯底12內(nèi)表面除外圍部分和中心部分以外的地方連續(xù)地從重整流動(dòng)通道42延伸，其總長(zhǎng)度大于等于3cm并且小于等于20cm。作為一個(gè)例子，汽化流動(dòng)通道41、重整流動(dòng)通道42和一氧化碳去除流動(dòng)通道43的寬度和深度均為約500μm或更小。通過(guò)這種方式，汽化流動(dòng)通道41的末端與重整流動(dòng)通道42的開(kāi)始端連接，并且重整流動(dòng)通道42的末端與一氧化碳去除流動(dòng)通道43的開(kāi)始端連接。
汽化流動(dòng)通道41構(gòu)成生成燃料汽化部分7，該部分是一個(gè)反應(yīng)爐，液態(tài)的生成燃料68在該反應(yīng)爐中汽化。汽化流動(dòng)通道41中不具有反應(yīng)催化劑。重整流動(dòng)通道42構(gòu)成重整反應(yīng)部分8，該部分是一個(gè)反應(yīng)爐，經(jīng)生成燃料汽化部分7汽化的生成燃料68在這個(gè)反應(yīng)爐中重整。在這個(gè)情況下，在重整流動(dòng)通道42中的重整流動(dòng)通道槽58的表面設(shè)有重整催化劑層44(見(jiàn)圖3)，該層由諸如Cu或ZnO的重整催化劑形成，并由諸如Al2O3的多孔支撐膜支撐。一氧化碳去除流動(dòng)通道43構(gòu)成一氧化碳去除部分9的反應(yīng)爐，該部分是一個(gè)反應(yīng)爐，在該反應(yīng)爐中含在重整反應(yīng)部分8所產(chǎn)生的副產(chǎn)品中的一氧化碳被去除。在這種情況下，在一氧化碳去除流動(dòng)通道43中的一氧化碳去除流動(dòng)通道槽59的表面設(shè)有選擇性氧化催化劑層45(見(jiàn)圖3)，該層由諸如PT的重整催化劑形成，并由諸如Al2O3的多孔支撐膜支撐。
第一微型泵46設(shè)置在位于第一襯底12內(nèi)表面左下角處的預(yù)定位置上。該第一微型泵46從生成燃料部分2吸收對(duì)應(yīng)于由燃料電池系統(tǒng)中的控制電路部分20(見(jiàn)圖1)經(jīng)由電極33或類(lèi)似部分而提供的信號(hào)的量的生成燃料68，隨后經(jīng)由生成燃料供應(yīng)細(xì)管21將其輸送到汽化流動(dòng)通道41的開(kāi)始端。
該第一微型泵46可以極小，并從噴口噴出粒子形式的液體，同時(shí)對(duì)其噴出量進(jìn)行控制。例如優(yōu)選的是，第一微型泵46是一種噴射器，其在噴口對(duì)液體進(jìn)行加熱以利用在由薄膜狀沸騰而產(chǎn)生的在噴口中的氣泡的壓力，噴出粒子形式的液體；也可以是一種噴射器(所謂的壓電噴射方法)，其利用由電致伸縮元件(壓電元件)的形變而在噴口中引起的壓力波，噴出粒子形式的液體；或者可以是一種噴射器(所謂的靜電噴射方法)，其利用由噴口處的振動(dòng)膜的靜電力而產(chǎn)生的振動(dòng)噴出在噴口中的粒子形式的液體。這些同樣適用于下文描述的第二微型泵47或類(lèi)似物。
氧氣供應(yīng)細(xì)管23的一端與一氧化碳去除流動(dòng)通道43的開(kāi)始端附近的預(yù)定部分43a連接。通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)置在微型化學(xué)反應(yīng)器4外部的第四微型泵49，大氣中的氧氣(空氣)經(jīng)由氧氣供應(yīng)細(xì)管23被提供給一氧化碳去除流動(dòng)通道43開(kāi)始端附近的預(yù)定部分43a。第三微型泵48根據(jù)由燃料電池系統(tǒng)1中的控制電路部分20發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制氧氣的提供量。生成產(chǎn)物排放細(xì)管22的一端與一氧化碳去除流動(dòng)通道43末端附近的預(yù)定部分43b連接。
如圖3和圖5所示，薄膜加熱器部分11包括諸如TaSiOx或TaSiOxN的發(fā)熱阻性(resistive)元件薄膜，該薄膜加熱器部分11設(shè)置在對(duì)著第一襯底12的第二襯底13的表面上對(duì)著重整流動(dòng)通道42的部分上，它根據(jù)由來(lái)自控制電路部分20的信號(hào)所施加的電壓而產(chǎn)生熱量。薄膜加熱器部分11設(shè)置在重整流動(dòng)通道42中，它被用作重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42中重整反應(yīng)的初態(tài)所必需的熱源，它控制重整流動(dòng)通道42的溫度，它也被用作生成燃料汽化部分7的汽化流動(dòng)通道41和一氧化碳去除部分9的一氧化碳去除流動(dòng)通道43中化學(xué)反應(yīng)的初態(tài)所必需的熱源。
在重整流動(dòng)通道42中加熱主要通過(guò)在如圖1所示的燃燒部分10(下文將對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行描述)中所產(chǎn)生的熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)。薄膜加熱器11作為補(bǔ)充。換句話說(shuō)，燃燒部分10是被傳送以促進(jìn)生成燃料汽化部分7的汽化流動(dòng)通道41、重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42和一氧化碳去除部分9的一氧化碳去除流動(dòng)通道43中的反應(yīng)的熱的主要來(lái)源。薄膜加熱器11具有細(xì)微調(diào)整的功能，以便根據(jù)燃料電池系統(tǒng)1的控制電路部分20發(fā)出的經(jīng)電極33或其它部分的信號(hào)，在汽化流動(dòng)通道41、重整流動(dòng)通道42、一氧化碳去除流動(dòng)通道43中獲得合適的溫度。
薄膜溫度計(jì)部分19由薄膜溫度計(jì)或半導(dǎo)體薄膜熱耦組成，其設(shè)置在重整流動(dòng)通道42的附近。薄膜溫度計(jì)部分19檢測(cè)由燃燒部分10和薄膜加熱器11加熱的生成燃料汽化部分7的汽化流動(dòng)通道41的溫度、重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42的溫度和一氧化碳去除部分9的一氧化碳去除流動(dòng)通道43的溫度。然后，將它們的溫度檢測(cè)信號(hào)經(jīng)電極33或其它部分傳送給燃料電池系統(tǒng)1的控制電路部分20?；谶@些溫度檢測(cè)信號(hào)，燃料電池系統(tǒng)1的控制電路部分20控制薄膜加熱器11產(chǎn)生熱量，以便在生成燃料汽化部分7的汽化流動(dòng)通道41、重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42和一氧化碳去除部分9的一氧化碳去除流動(dòng)通道43中獲得合適的溫度。
上面提到的包括發(fā)熱阻性元件薄膜的薄膜加熱器11也可作為精確的溫度計(jì)部分19，只要其表現(xiàn)出較大的、且相對(duì)于加熱溫度t為線性的電阻變化。換句話講，至少與電極33連接的兩個(gè)端子被設(shè)置成與薄膜加熱器部分11的兩端相連，并且跨越這兩個(gè)端子施加一電壓，由此對(duì)薄膜加熱器部分11加熱。在這種情況下，因?yàn)楸∧ぜ訜崞鞑糠?1的阻值取決于加熱溫度，所以控制電路部分20可以通過(guò)經(jīng)由電極33讀取跨越這兩個(gè)端子的電壓的變化來(lái)讀出薄膜加熱器部分11中的阻值變化。這樣的結(jié)構(gòu)允許采用更高密度的封裝。
如圖6所示，圍繞第三襯底14的內(nèi)表面(對(duì)著第二襯底13的表面)的外圍部分，以這樣一種方式，即沿第一襯底12的重整流動(dòng)通道42重疊延伸的方式，沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)地切出一個(gè)燃燒燃料汽化流動(dòng)通道槽51形成大約一個(gè)半圓周。如圖6的陰影部分所示，燃燒流動(dòng)通道槽52以沿第一襯底12的重整流動(dòng)通道42重疊延伸的方式而彎折地形成，。在第三襯底14內(nèi)表面中心部分的左下角切出一個(gè)線性釋放流動(dòng)通道槽53。燃燒燃料汽化流動(dòng)通道槽51的末端與燃燒流動(dòng)通道槽52的開(kāi)始端連接。燃燒流動(dòng)通道槽52的末端與排放流動(dòng)通道槽53的開(kāi)始端連接。第三襯底14的燃燒燃料汽化流動(dòng)通道槽51與第二襯底13的相對(duì)面互相結(jié)合以形成燃燒燃料汽化流動(dòng)通道75。第三襯底14的燃燒流動(dòng)通道槽52和第二襯底13的相對(duì)面互相結(jié)合以形成燃燒流動(dòng)通道76。第三襯底14的排放流動(dòng)通道槽53與第二襯底13的相對(duì)面結(jié)合在一起以形成排放流動(dòng)通道77。在上述流動(dòng)通道中的燃燒流動(dòng)通道76中，由Pt，Au，Ag等制成的燃燒催化劑層54設(shè)置在燃燒流動(dòng)通道槽52中。燃燒流動(dòng)通道76行使燃燒部分10的功能。作為一個(gè)例子，燃燒燃料汽化流動(dòng)通道75、燃燒流動(dòng)通道76和排放流動(dòng)通道77的寬度和深度均為約500μm或者更小。
第二微型泵47設(shè)置在第三襯底14的內(nèi)表面左下角的預(yù)定位置。利用毛細(xì)現(xiàn)象或者第二微型泵47的驅(qū)動(dòng)，燃燒燃料69自動(dòng)地從燃燒燃料部分3經(jīng)燃燒燃料供應(yīng)細(xì)管27提供給第二微型泵47。第二微型泵47將燃燒燃料69注入燃燒燃料汽化流動(dòng)通道75的開(kāi)始端的同時(shí)，根據(jù)由燃料電池系統(tǒng)1的控制電路部分20經(jīng)由電極3等提供的信號(hào)對(duì)其噴射量進(jìn)行控制。
在燃燒燃料汽化流動(dòng)通道75末端的預(yù)定部分75a處，第二外部面板16上形成圓形傳輸孔72，以便與圖2所示的氧氣供應(yīng)細(xì)管29的一端連接，而在第三襯底14上形成一個(gè)通孔。通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)置在微型化學(xué)反應(yīng)器4之外的第三微型泵48，大氣中的氧氣(空氣)經(jīng)由氧氣供應(yīng)細(xì)管29，提供給燃燒燃料汽化流動(dòng)通道75的末端附近的預(yù)定部分75a。第三微型泵48根據(jù)燃料電池系統(tǒng)1的控制電路部分20發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制氧氣供應(yīng)量。圖2所示的燃燒氣體排放細(xì)管28的一端與排放流動(dòng)通道77的末端相連，燃燒氣體排放細(xì)管28的另一端與燃料電池系統(tǒng)1的外部連接，向大氣開(kāi)放。
這里，如圖3到圖6所示，重整流動(dòng)通道42、薄膜加熱器11和燃燒流動(dòng)通道76設(shè)置在平面視圖中的同一位置上。薄膜加熱器11的寬度比重整流動(dòng)通道42的寬度窄，這樣它可以容納在重整流動(dòng)通道槽58中。在重整流動(dòng)通道42、薄膜加熱器11和燃燒流動(dòng)通道76所在的區(qū)域的外圍上的第一到第三襯底12-14的多個(gè)部分中，分別形成四個(gè)狹縫56。狹縫56構(gòu)成了一個(gè)熱傳導(dǎo)效率低的部分，該部分的熱傳導(dǎo)率低于第一到第三襯底12-14的熱傳動(dòng)率，這些狹縫56進(jìn)行調(diào)節(jié)，使如后文描述的燃燒部分10和薄膜加熱器11產(chǎn)生的熱能不會(huì)過(guò)多地經(jīng)第一到第三襯底12-14傳遞到汽化流動(dòng)通道41和一氧化碳去除流動(dòng)通道43而引起汽化流動(dòng)通道41和一氧化碳去除流動(dòng)通道43中過(guò)熱。狹縫56用熱傳導(dǎo)率低的氣體(例如空氣、二氧化碳?xì)怏w或氯氟烴)填充，或者具有減壓至1Pa或更低的氣氛。
接著，將對(duì)具有上面結(jié)構(gòu)的微型化學(xué)反應(yīng)器4的操作進(jìn)行描述。首先，當(dāng)液態(tài)的燃燒燃料69(例如甲醇)從第二微型泵47提供給燃燒燃料汽化流動(dòng)通道75的開(kāi)始端時(shí)，僅由薄膜加熱器11的初始產(chǎn)生的熱而產(chǎn)生的熱能，經(jīng)第一到第三襯底12-14傳送到燃燒燃料汽化流動(dòng)通道槽51中，由此將燃燒燃料汽化流動(dòng)通道75的內(nèi)部加熱到預(yù)定的溫度。在燃燒燃料汽化流動(dòng)通道75中，燃燒燃料69被加熱并由此汽化變成燃燒燃料氣體(例如，假如燃燒燃料是甲醇時(shí)，氣體是CH3OH)。
該生成的燃燒燃料氣體(CH3OH)在燃燒燃料蒸餾流動(dòng)通道75末端附近的預(yù)定部分75a處與經(jīng)氧氣供應(yīng)細(xì)管29由大氣提供的氧氣(空氣)混合。當(dāng)將該混合氣體(CH3OH+O2)供給具有燃燒催化劑層54的燃燒流動(dòng)通道76時(shí)，所提供的混合氣體通過(guò)下列方程式(1)所表示的燃燒反應(yīng)，在燃燒催化劑層54燃燒，，并且通過(guò)這一燃燒產(chǎn)生熱能。
(1)該熱能主要對(duì)重整流動(dòng)通道42的內(nèi)部進(jìn)行加熱，然后被傳送到第一到第三襯底12-14，并對(duì)一氧化碳去除部分9的一氧化碳去除流動(dòng)通道43的內(nèi)部和生成燃料汽化部分7的汽化流動(dòng)通道41的內(nèi)部進(jìn)行加熱。然后，薄膜加熱器11僅停止或者減少最初產(chǎn)生的熱，而隨后產(chǎn)生的熱由燃料電池系統(tǒng)1的控制電路部分20根據(jù)溫度計(jì)部分19的溫度檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制。另一方面，上面方程式(1)右側(cè)的燃燒氣體(CO2)通過(guò)排放流動(dòng)通道77和燃燒氣體排放細(xì)管28排放到大氣中。副產(chǎn)品水利用后面描述的副產(chǎn)品收集部分109收集。
這里，在由重整流動(dòng)通道42構(gòu)成的重整反應(yīng)部分8的反應(yīng)爐中所需的加熱溫度大約是250-320℃，而在由一氧化碳去除流動(dòng)通道43構(gòu)成的一氧化碳去除部分9的反應(yīng)爐中所需的加熱溫度比上面所述的溫度低，約為160-220℃，在由汽化流動(dòng)通道41構(gòu)成的生成燃料汽化部分7的反應(yīng)爐中所需的加熱溫度上面所述的溫度更低，約為100-150℃。汽化流動(dòng)通道41中可以配備有一個(gè)金屬薄膜，該金屬薄膜的熱傳導(dǎo)率比第一襯底12和第二襯底13的要高，以便有效地吸收熱源釋放的熱量，然后將其發(fā)送到流動(dòng)通道。
如上所述，作為熱源的燃燒部分10的燃燒流動(dòng)通道76和薄膜加熱器11設(shè)置在第一襯底到第三襯底12-14的中心部分，而需要加熱溫度最高(250-320℃)的重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42設(shè)置在中心部分，而在其外側(cè)，設(shè)置的是需要加熱溫度(160-220℃)比上面的溫度低的一氧化碳去除部分9的一氧化碳去除流動(dòng)通道43，在更遠(yuǎn)的外部，設(shè)置的是需要加熱溫度(大約是100-150℃)更低的生成燃料汽化部分7的汽化流動(dòng)通道41。通過(guò)這種方式，距離燃燒部分10的距離按照重整流動(dòng)通道42、一氧化碳去除流動(dòng)通道43和汽化流動(dòng)通道41的順序依次變短；距離薄膜加熱器11的距離按照重整流動(dòng)通道42、一氧化碳去除流動(dòng)通道43和汽化流動(dòng)通道41的順序依次變長(zhǎng)。這樣，燃燒部分10和薄膜加熱器11中產(chǎn)生的熱能首先將重整反應(yīng)部分8加熱到其所需要的加熱溫度。溫度隨熱能從第一到第三襯底12-14傳遞而降低。當(dāng)它達(dá)到位于重整反應(yīng)部分8外圍的一氧化碳去除部分9時(shí)，溫度降到一氧化碳去除部分9所需要的加熱溫度。最后，當(dāng)它經(jīng)第一到第三襯底12-14達(dá)到位于一氧化碳去除部分9外部的生成燃料汽化部分7時(shí)，溫度降到生成燃料汽化部分7所需要的加熱溫度。這樣，生成燃料汽化部分7、重整反應(yīng)部分8和一氧化碳去除部分9被分別加熱到它們各自的適合溫度。
盡管薄膜加熱器11中的加熱溫度容易控制，但是很難通過(guò)控制在燃燒部分10的燃燒流動(dòng)通道76中的燃燒反應(yīng)來(lái)精確控制加熱溫度。因此，使燃燒流動(dòng)通道76中的燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能達(dá)到例如大約為190-300℃，這個(gè)溫度比重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42中的所需加熱溫度(250-320℃)略低。然后，控制電路部分20從電極33接收關(guān)于重整流動(dòng)通道42中的溫度的信息，并回饋以將被提供給薄膜加熱器11的電能，這樣很快就能達(dá)到需要的加熱溫度，并且通過(guò)生成燃料汽化部分7實(shí)現(xiàn)持續(xù)地保持需要的溫度的精細(xì)的溫度控制。相應(yīng)地，重整反應(yīng)部分8和一氧化碳去除部分9能夠被保持在需要的加熱溫度范圍內(nèi)。
如果使用玻璃、硅、陶瓷、金屬等作為第一到第三襯底12-14的材料，它們的熱傳導(dǎo)率比空氣的熱傳導(dǎo)率高很多，這樣不需要進(jìn)行任何措施，從第一到第三襯底12-14的溫度可以變得大致相同。因此，如上所述，將四個(gè)狹縫56設(shè)置在設(shè)置有燃燒部分10的燃燒流動(dòng)通道76、薄膜加熱器11和重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42的這個(gè)區(qū)域的外圍的第一到第三襯底12-14的部分中，并且在這些狹縫56內(nèi)的大氣中形成真空或者以低熱傳到率的氣體(例如空氣，二氧化碳?xì)怏w或氯氟烴)填充，借此可以防止燃燒部分10和薄膜加熱器11產(chǎn)生的熱能不會(huì)經(jīng)第一到第三襯底12-14向一氧化碳排放通道43和汽化流動(dòng)通道41中傳送過(guò)多的熱量。狹縫56中可以含有由陶瓷等制成的具有熱傳遞特性的多孔結(jié)構(gòu)。
在僅有第一到第三襯底12-14的情況下，因?yàn)樗鼈兊某叽缧?，而表面面積和體積的比大，因此釋放到大氣中的熱能變得很大，熱能的利用率低。因此，如上所述，使用第一和第二外部面板15和16覆蓋第一到第三襯底12-14，并在它們之間設(shè)置空間37，隨后在空間37的大氣中形成真空或者以具有低熱傳導(dǎo)率的氣體(例如空氣，二氧化碳?xì)怏w或氯氟烴)對(duì)其進(jìn)行填充，然后，用發(fā)熱防護(hù)膜36覆蓋第一到第三襯底12-14的外表面，而用發(fā)熱防護(hù)膜35覆蓋第一外部面板15和第二外部面板16的內(nèi)表面，借此防止燃燒部分10和薄膜加熱器11產(chǎn)生的熱能釋放到大氣中，以及提供熱能的利用率成為了可能。
在利用第一和第二外部面板15和16覆蓋第一到第三襯底12-14來(lái)減少釋放到大氣的熱量的情況下，如果第一和第二外部面板的溫度升得太高，那么甚至在狹縫56對(duì)傳送的熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)后，也很難將第一到第三襯底12-14的溫度分布保持在初始值，多個(gè)抗壓襯墊38的全部或部分由諸如金屬或玻璃等具有熱傳導(dǎo)率的材料構(gòu)成，熱量經(jīng)抗壓襯墊38適度地釋放到微型化學(xué)反應(yīng)器4外。因此，能夠使第一到第三襯底12-14的溫度分布達(dá)到初始值。并且，當(dāng)薄膜加熱器11和燃燒部分10停止產(chǎn)生熱量時(shí)，這種通過(guò)使用抗壓襯墊38的熱量釋放能夠用于快速地降低第一和第二外部面板15和16中的溫度。
通過(guò)這種方式，燃料電池系統(tǒng)1調(diào)節(jié)經(jīng)抗壓襯墊38釋放到其外界的熱量，這樣能將第一到第三襯底12-14的溫度分布保持在初始值。
這里，在利用燃燒部分10中所產(chǎn)生的熱能和薄膜加熱器11中所產(chǎn)生的熱能加熱之后，檢查汽化流動(dòng)通道41、重整流動(dòng)通道42和一氧化碳排放流動(dòng)通道43中各自的加熱溫度隨時(shí)間的變化，由此得到如圖7所示的結(jié)果。在圖7中，實(shí)線表示重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42的加熱溫度；虛線表示一氧化碳去除部分9的一氧化碳排放流動(dòng)通道43的加熱溫度；點(diǎn)劃線表示生成燃料汽化部分7的汽化流動(dòng)通道41的加熱溫度。
從圖7可以明顯看出，在熱量產(chǎn)生開(kāi)始約40秒后，各加熱溫度幾乎不變，實(shí)線所表示的重整流動(dòng)通道42的加熱溫度可能為約300℃，虛線所表示的一氧化碳排放流動(dòng)通道43的溫度可能為約200℃，點(diǎn)劃線所表示的汽化流動(dòng)通道41的溫度可能為約150℃。
以這種方式，通過(guò)利用燃燒部分10的燃燒流動(dòng)通道76中產(chǎn)生的熱能和薄膜加熱器11中產(chǎn)生的熱能進(jìn)行加熱，使由重整流動(dòng)通道42構(gòu)成的重整反應(yīng)部分8的反應(yīng)爐內(nèi)的加熱溫度達(dá)到約為250-320℃的所需要的加熱溫度，由一氧化碳排放流動(dòng)通道43構(gòu)成的一氧化碳去除部分9的反應(yīng)爐內(nèi)的加熱溫度達(dá)到約為160-220℃的所需要的加熱溫度，由汽化流動(dòng)通道41構(gòu)成的生成燃料汽化部分7的反應(yīng)爐內(nèi)的加熱溫度達(dá)到約為100-150℃的所需要的加熱溫度。
當(dāng)液體形式的燃燒燃料68(例如甲醇)從第一微型泵46提供給汽化流動(dòng)通道41的開(kāi)始端時(shí)，生成燃料68在其內(nèi)部被加熱到約為100-150℃的所需要的溫度的汽化流動(dòng)通道41中被汽化，并產(chǎn)生了生成燃料氣體(例如，當(dāng)生成燃料68是甲醇時(shí)，為CH3OH(g)+H2O(g))。換句話講，在燃料汽化部分7中產(chǎn)生了生成燃燒氣體(CH3OH+H2O)。
這一產(chǎn)生的生成燃料氣體(CH3OH+H2O)提供給重整流動(dòng)通道42。換句話講，在生成燃料汽化部分7中產(chǎn)生的生成燃料氣體(CH3OH+H2O)被提供給重整反應(yīng)部分8。然后，當(dāng)將生成燃料氣體(CH3OH+H2O)提供給具有重整催化劑層44的重整流動(dòng)通道42時(shí)，因?yàn)橹卣鲃?dòng)通道42的內(nèi)部被加熱到約為250-320℃的所需的加熱溫度，所以在重整流動(dòng)通道42中引發(fā)由下列方程式(2)表示的吸熱反應(yīng)，由此產(chǎn)生了氫氣和副產(chǎn)品二氧化碳。
(2)這時(shí)，在重整流動(dòng)通道42中可能產(chǎn)生微量的一氧化碳。這些產(chǎn)物(氫氣，二氧化碳和少量的一氧化碳)被提供至一氧化碳去除流動(dòng)通道43中。換句話講，重整反應(yīng)部分8中產(chǎn)生的氫氣，二氧化碳和少量的一氧化碳被提供給一氧化碳去除部分9。這些產(chǎn)物(氫氣，二氧化碳和少量的一氧化碳)在一氧化碳去除流動(dòng)通道43開(kāi)始端附近的預(yù)定部分43a處與經(jīng)由氧氣供應(yīng)細(xì)管23從燃料電池系統(tǒng)1的外部的大氣提供的氧氣相混合。在這種情況下，在氧氣供應(yīng)細(xì)管23中設(shè)置一個(gè)檢查閥門(mén)，因此這些產(chǎn)物不會(huì)泄漏到燃料電池系統(tǒng)1的外面。
當(dāng)將混合物(氫氣，二氧化碳和少量的一氧化碳)提供給具有選擇性氧化催化劑層45的一氧化碳去除流動(dòng)通道43時(shí)，一氧化碳和氧氣在其內(nèi)部加熱到約為160-220℃的所需溫度的一氧化碳去除流動(dòng)通道43中反應(yīng)，從而產(chǎn)生了二氧化碳，如下面的方程式(3)所表示的。
(3)最后，到達(dá)組成一氧化碳去除部分9的反應(yīng)爐的一氧化碳去除流動(dòng)通道43的末端的大部分流體是氫氣和二氧化碳。這些產(chǎn)物經(jīng)生成產(chǎn)物排放細(xì)管22排放到外面，但是，在這些產(chǎn)物中，通過(guò)一個(gè)分離部分66(見(jiàn)圖1)將二氧化碳從氫氣中分離，以將其排放到燃料電池系統(tǒng)1的外部。因此，從一氧化碳去除部分9排出并供給燃料電池部分5的是氫氣和水蒸汽。
如上所述，在具有上述結(jié)構(gòu)的微型化學(xué)反應(yīng)器4中，在第一襯底12的內(nèi)表面上，構(gòu)成生成燃料汽化部分7的反應(yīng)爐的汽化流動(dòng)通道41、構(gòu)成重整反應(yīng)部分8的反應(yīng)爐的重整流動(dòng)通道42和構(gòu)成一氧化碳去除部分9的反應(yīng)爐的一氧化碳去除流動(dòng)通道43連續(xù)地設(shè)置在同一襯底里，因此可以在這三個(gè)流動(dòng)通道，即汽化流動(dòng)通道41，重整流動(dòng)通道42和一氧化碳去除流動(dòng)通道43中連續(xù)引起三種化學(xué)反應(yīng)，由此使整個(gè)反應(yīng)器簡(jiǎn)單緊湊成為可能。
此外，作為熱源的燃燒部分10的燃燒流動(dòng)通道76和薄膜加熱器11設(shè)置在第一到第三襯底12-14的中心部分，而所需要的加熱溫度最高(大約為250-320℃)的重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42設(shè)置在中心部分，而在其外部，設(shè)置的是所需要的加熱溫度(約為160-220℃)比上面的溫度低的一氧化碳去除部分9的一氧化碳去除流動(dòng)通道43，在更遠(yuǎn)的外部，設(shè)置的是所需要的加熱溫度(大約是100-150℃)比上面設(shè)置的溫度的還低的生成燃料汽化部分7的汽化流動(dòng)通道41，狹縫56調(diào)節(jié)傳遞的熱量，借此在汽化流動(dòng)通道41、重整流動(dòng)通道42和一氧化碳去除流動(dòng)通道43中實(shí)現(xiàn)有效加熱，從而重整了生成燃料68。
接著，描述燃料電池部分5和充電部分6。燃料電池部分5由固體大分子類(lèi)型的燃料電池組成，如圖8所示。更具體地講，燃料電池部分5具有由碳電極形成的陰極61，其上粘附有諸如Pt和C的催化劑，還有由碳電極形成的陽(yáng)極62，其上粘附有諸如Pt、Ru和C的催化劑。薄膜狀離子導(dǎo)電膜63設(shè)置到陰極61和陽(yáng)極62之間，進(jìn)而為充電部分6供電，充電部分6由設(shè)置在陰極61和陽(yáng)極62之間的補(bǔ)充電池或電容組成。
在這種情況下，在陰極61之外提供空間部分64。氫和水經(jīng)由分離部分66送到該空間部分64中，因此氫和水接觸陰極61。另一個(gè)空間部分65設(shè)置在陽(yáng)極62之外。經(jīng)由微型泵從大氣中吸收的氧氣被送到該空間部分65中，因此氧氣供給了陽(yáng)極62。
電子(e-)從氫中分離出來(lái)的氫離子(質(zhì)子H+)在陰極61的一側(cè)產(chǎn)生，如下列方程式(4)所示，并經(jīng)由離子導(dǎo)電膜63傳送到陽(yáng)極62的一側(cè)，隨后陰極61從其取得電子(e-)，使電流流動(dòng)。
(4)另一方面，借助于充電部分6而提供的電子(e-)，已經(jīng)穿過(guò)離子導(dǎo)電薄膜63的氫離子(H+)，和氧氣在陽(yáng)極62側(cè)引發(fā)反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生了副產(chǎn)品水，如下面的方程式(5)所示。
(5)前面描述的一系列電化學(xué)反應(yīng)(方程式(4)和(5))在約室溫至80℃的相對(duì)低溫的環(huán)境下進(jìn)行，而水是除電能外基本上僅有的副產(chǎn)品。由燃料電池部分5產(chǎn)生的電能被提供給充電部分6，由此充電部分6被充電。作為由燃料電池部分5所產(chǎn)生的副產(chǎn)品的水被副產(chǎn)品吸收部分107一次吸收，隨后被下文將要描述的燃料存儲(chǔ)模塊102中的副產(chǎn)品收集部分109收集。根據(jù)需要，副產(chǎn)品吸收部分107可以為重整反應(yīng)部分8和一氧化碳去除部分9提供一適當(dāng)量的吸收水。
這里，在具有上述結(jié)構(gòu)的微型化學(xué)反應(yīng)器4中，相互層疊的第一到第三襯底12-14容納在互相連接的第一和第二外部面板15和16中，這就使得節(jié)省空間和將燃料電池系統(tǒng)1本身的尺寸和形狀涉及成對(duì)應(yīng)于諸如干電池的多功能化學(xué)電池的尺寸和形狀成為可能。
在上述實(shí)施例中，已經(jīng)描述了薄膜加熱器11用作熱源的一部分的情況，但這不是限制性的。例如，可以采用圖9和圖10示出的本發(fā)明另一實(shí)施例。圖9是類(lèi)似于圖3的橫截面圖，示出了作為本發(fā)明另一實(shí)施例的微型化學(xué)反應(yīng)器的基本部分，而圖10是對(duì)應(yīng)于第四襯底71的部分的透射平面圖。
在這種情況下，第四襯底71設(shè)置在第一襯底12和第二襯底13之間。薄膜加熱器未設(shè)置在對(duì)著第四襯底71的第二襯底13表面的中心部分上。相反，在對(duì)著第二襯底13的第四襯底71表面的中心部分上切出一個(gè)熱流體流動(dòng)通道槽67。該熱流體流動(dòng)通道槽67與第二襯底13互相結(jié)合以形成一個(gè)熱流體流動(dòng)通道72。熱流體流動(dòng)通道72彎曲設(shè)置，與重整流動(dòng)通道12和燃燒流動(dòng)通道76類(lèi)似。一個(gè)流入側(cè)流動(dòng)通道73設(shè)置在熱流體流動(dòng)通道72的流入側(cè)上的熱流體流動(dòng)通道槽67上，而流出側(cè)流動(dòng)通道74設(shè)置在流出側(cè)熱流體流動(dòng)通道槽67中。
流入側(cè)流動(dòng)通道73的流入側(cè)端設(shè)置在這樣的位置上，即其不會(huì)與圖4中所示的汽化流動(dòng)通道41的末端重疊，并與圖中未示出的插入到設(shè)置在第一外部面板15和第一襯底12的預(yù)定部分上的圓形輸送孔中的一熱流體供應(yīng)細(xì)管的一端相連。輸出側(cè)流動(dòng)通道74的輸出側(cè)端設(shè)置在這樣的位置上，即其不會(huì)與圖4中所示的一氧化碳去除流動(dòng)通道43的開(kāi)始端重疊，并與圖中未示出的插入到設(shè)置在第一外部面板15和第一襯底12的其它預(yù)定部分上的圓形輸送孔中的一熱流體排放細(xì)管的一端相連。
該熱流體供應(yīng)細(xì)管的另一端和該熱流體排放細(xì)管的另一端與設(shè)置在微型化學(xué)反應(yīng)器4外部，在圖中未示出的具有微型泵和加熱器的熱流體電路的兩端相連。隨后，諸如硅油的液體或諸如水蒸汽的氣體、空氣和氮作為熱流體提供到熱流體流動(dòng)通道72和汽化流動(dòng)通道41中。重整流動(dòng)通道42和一氧化碳去除流動(dòng)通道42利用從所提供的熱流體而獲得的熱能而被加熱。然而，同樣在這種情況下，加熱主要是利用通過(guò)燃燒部分10的燃燒流動(dòng)通道76中的催化燃燒反應(yīng)燃燒產(chǎn)生的熱能來(lái)進(jìn)行的。來(lái)自熱流體的熱能被用作補(bǔ)充加熱。熱流體根據(jù)需要存儲(chǔ)燃燒部分10的熱能，并在熱流體流動(dòng)通道72中循環(huán)。
在上面描述的實(shí)施例中，槽分別位于第一襯底12和第三襯底14上以形成流動(dòng)通道，但是如圖11所示，在第二襯底13的一個(gè)表面上連續(xù)形成的汽化流動(dòng)通道槽57、重整流動(dòng)通道槽58和一氧化碳去除流動(dòng)通道槽59，和覆蓋這些槽的第一襯底12，也可以分別構(gòu)成生成燃料汽化部分7的汽化流動(dòng)通道41、重整反應(yīng)部分8的重整流動(dòng)通道42和一氧化碳去除部分9的一氧化碳去除流動(dòng)通道43。另外，在第二襯底13的另一表面上連續(xù)形成的燃燒燃料汽化流動(dòng)通道槽51、燃燒流動(dòng)通道槽52和排放流動(dòng)通道槽53，和覆蓋這些槽的第三襯底14，也可以分別構(gòu)成生成燃燒燃料汽化流動(dòng)通道75、燃燒流動(dòng)通道76，和排放流動(dòng)通道77。
圖11是沿與圖2中的線III-III類(lèi)似的線的橫截面圖，其中，生成燃料供應(yīng)細(xì)管21，氧氣供應(yīng)細(xì)管23，燃燒燃料供應(yīng)細(xì)管27，電極33和排放流動(dòng)通道77未在圖中示出。第二襯底13是具有優(yōu)良的可加工性和相對(duì)較高的熱傳導(dǎo)率的硅襯底，而位于第二襯底13的上面和下面的第一襯底12和第三襯底14由玻璃制成，玻璃的熱傳導(dǎo)率比硅襯底的熱傳導(dǎo)率低，因此汽化流動(dòng)通道41，重整流動(dòng)通道42和一氧化碳去除流動(dòng)通道43可以具有容易加熱和儲(chǔ)熱的結(jié)構(gòu)，這樣不會(huì)在外部生成過(guò)多的熱量。重整催化劑層44和選擇性氧化催化劑層45已經(jīng)在槽的三個(gè)表面上形成，但是也可以在至少一個(gè)或更多的表面上形成。
在上面描述的實(shí)施例中，一氧化碳去除部分9根據(jù)上述方程式(3)使一氧化碳氧化，但是，也可以通過(guò)由下面的方程式(6)所代表的一個(gè)水的置換反應(yīng)(aqueous shift reaction)對(duì)其進(jìn)行氧化，一氧化碳去除流動(dòng)通道43可以具有方程式(6)和方程式(3)的化學(xué)反應(yīng)被引發(fā)所處的兩個(gè)部分。
(6)在方程式(6)的左側(cè)，引起一氧化碳的水置換的水包含在生成燃料部分2中，在上面的方程式(2)中沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)的水也可以被利用，通過(guò)副產(chǎn)品吸收部分107自燃料電池部分5吸收的水也可以被利用。因?yàn)榉匠淌?6)的反應(yīng)產(chǎn)生了氫，所以提供給燃料電池部分5的氫的量可能增加，因此引發(fā)方程式(6)的反應(yīng)的那一部分最好應(yīng)設(shè)置在比引發(fā)方程式(3)的反應(yīng)的那一部分更靠近重整流動(dòng)通道42一側(cè)。
在上面描述的實(shí)施例中，狹縫56連續(xù)的設(shè)置在第一襯底12、第二襯底13，和第三襯底14中，但是為了提高強(qiáng)度，在第一襯底12、第二襯底13和第三襯底14中互相并排設(shè)置的狹縫，可以以互相不重疊的方式排列。
圖12是顯示局部剖開(kāi)的燃料電池系統(tǒng)1的透視圖，其包括本發(fā)明的燃料電池和小型的化學(xué)反應(yīng)器。
如圖12所示，燃料電池系統(tǒng)1包括一個(gè)燃料存儲(chǔ)模塊102、一個(gè)電能產(chǎn)生模塊103，燃料存儲(chǔ)模塊102存儲(chǔ)將被重整的生成燃料68和將被燃燒的燃燒燃料69；電能產(chǎn)生模塊103具有一個(gè)內(nèi)置的微型化學(xué)反應(yīng)器以利用存儲(chǔ)在燃料存儲(chǔ)模塊102中的生成燃料6產(chǎn)生電。微型化學(xué)反應(yīng)器4具有生成燃料汽化部分7、重整反應(yīng)部分8、一氧化碳去除部分9、燃燒部分10、薄膜加熱器部分11、第一微型泵46和第二微型泵47。
燃料存儲(chǔ)模塊102具有基本上為圓柱形的殼體104。殼體104可拆卸地與電能產(chǎn)生模塊103相連。在殼體104的正上方部分形成了一個(gè)圓形通孔105，在殼體104的外圍的內(nèi)部部分中，形成使電能生成模塊103所產(chǎn)生的副產(chǎn)品水可以排出的第一排水管106。存儲(chǔ)將被排放的水的副產(chǎn)品收集部分109設(shè)置在燃料存儲(chǔ)模塊102的底部。副產(chǎn)品收集部分109與第一排放管106相連。
燃料包108可拆卸地容納在殼體104內(nèi)，燃料包108的外圍表面部分從殼體104的外部暴露而出。燃料包108還具有密封有生成燃料68的生成燃料部分2和密封有燃燒燃料69的燃燒燃料部分3。燃料包108是具有一個(gè)內(nèi)部空間的透明或半透明的柱形元件，并由可以利用細(xì)菌等降解的材料制成。由于燃料包108的一部分暴露且燃料包108是透明或半透明的，因此可以通過(guò)燃料包108方便地檢查其內(nèi)部的生成燃料68和燃燒燃料69是否存在和剩余量。
生成燃料68是液體化學(xué)燃料和水的混合物，而例如甲醇、乙醇或含氫元素的碳化合物，例如，諸如二乙醚和汽油的醚適合作為該化學(xué)燃料。在本實(shí)施例中，混合了甲醇和水的混合物作為生成燃料68。
燃燒燃料69是一種液體的化學(xué)燃料，諸如甲醇、乙醇的醇，或含氫的碳化合物，例如，諸如二乙醚和汽油的醚適合作為該化學(xué)燃料。在本實(shí)施例中，高濃度的的甲醛被用作燃燒燃料69。
將生成燃料68從燃燒燃料69分開(kāi)的隔板111設(shè)置在燃料包108內(nèi)部。用于向電能產(chǎn)生模塊103提供生成燃料68和燃燒燃料69的一個(gè)供應(yīng)口110，以伸出以便插入殼體104的通孔105的方式，設(shè)置在燃料包108的正上部。
要插入供應(yīng)口110的沿圖12的向上和向下方向延伸的供應(yīng)管112設(shè)置在燃料包108的內(nèi)部。供應(yīng)管112從燃料包108的底部向供應(yīng)口110的邊緣延伸。因?yàn)楣?yīng)管112被隔板111分成小的部分，因此供應(yīng)管112和隔板111之間的生成燃料68利用毛細(xì)現(xiàn)象向上移動(dòng)，到達(dá)第一微型泵46。供應(yīng)管112和隔板111之間的燃燒燃料69利用毛細(xì)現(xiàn)象向上移動(dòng)，到達(dá)第二微型泵47。
一個(gè)密封薄膜設(shè)置在供應(yīng)口110的內(nèi)部，它將整個(gè)供應(yīng)口110關(guān)閉，這樣生成燃料68和燃燒燃料69在電能生成模塊103的吸入噴嘴部分137、138沒(méi)被插入的狀態(tài)下不會(huì)泄漏，但是為了貫穿該密封薄膜，電能生成模塊103的吸入噴嘴部分137、138插入了供應(yīng)口110中，而吸入噴嘴部分137、138與燃料包108連接，這樣它們可以分別吸入生成燃料68和燃燒燃料69。
電能生成模塊103包括一個(gè)幾乎為圓柱形的殼體130。微型化學(xué)反應(yīng)器4設(shè)置在殼體130內(nèi)部。燃料電池部分5設(shè)置在微型化學(xué)反應(yīng)器4周?chē)蜌んw130的外圍一側(cè)上。一個(gè)副產(chǎn)品吸收部分135吸收了燃料電池部分5產(chǎn)生的部分副產(chǎn)品，并根據(jù)需要，將其提供給微型化學(xué)反應(yīng)器4。控制電路20對(duì)上面的這些部分進(jìn)行電氣控制。
在用于通過(guò)燃料電池部分5產(chǎn)生電能的電能生成模塊103的外部，用于將空氣中的氧氣輸送到電池部分5的多個(gè)狹縫130互相并排排列在燃料電池部分5的外面和殼體130的外圍表面上。
用于將燃料電池部分5產(chǎn)生的電能輸送到外部設(shè)備的端子132設(shè)置在殼體130的正上方部分。用于吸收微型化學(xué)反應(yīng)器4的燃燒部分10需要用于使燃料69燃燒所必須的氧氣，和一氧化碳去除部分9用于氧化一氧化碳所必須的氧氣，并用于排放微型化學(xué)反應(yīng)器4產(chǎn)生的二氧化碳的多個(gè)氣孔133，形成在端子132的周?chē)蜌んw130的正上方部分處。
第二排放管134設(shè)置在殼體130外圍一側(cè)。第二排放管134具有一個(gè)邊緣從殼體130底部向下凸出的凸形形狀。凸形部分可以容納在燃料存儲(chǔ)模塊102的第一排放管106中與其相對(duì)應(yīng)的凸形部分中。第二排放管134是可將燃料電池部分5產(chǎn)生的副產(chǎn)品水分散的管道。副產(chǎn)品水通過(guò)第二排放管134和第一排放管106排到副產(chǎn)品吸收部分135。
第二排放管134與副產(chǎn)品吸收部分135連接。設(shè)置在殼體130內(nèi)部的一個(gè)進(jìn)水管136經(jīng)副產(chǎn)品吸收部分135通向第二排放管134。副產(chǎn)品吸收部分135起泵的作用，其根據(jù)需要將燃料電池部分5產(chǎn)生的副產(chǎn)品水引到微型化學(xué)反應(yīng)器4，并向進(jìn)水管136提供一適當(dāng)量的水供微型化學(xué)反應(yīng)器4使用，然后將多余的水排到第二排放管134。微型化學(xué)反應(yīng)器4中需要水的部分包括引發(fā)上述方程式(2)所示的重整反應(yīng)的重整反應(yīng)部分8和引發(fā)上述方程式(6)所示的水置換反應(yīng)的一氧化碳去除部分9。微型化學(xué)反應(yīng)器4重新利用在燃料電池系統(tǒng)1中這樣產(chǎn)生的水，由此使得除了含在燃料包108的生成燃料部分2中的生成燃料68中的水之外，提高化學(xué)燃料濃度成為可能，并且還可以增加燃料的每單位體積生成氫氣的量，并且也能增加燃料電池5的每單位體積燃料的輸出。
在上面描述的燃料存儲(chǔ)模塊102和電能產(chǎn)生模塊103中，當(dāng)存儲(chǔ)燃料包108的燃料存儲(chǔ)模塊102連接至電能生成模塊103時(shí)，電能生成模塊103的第二排放管134與燃料存儲(chǔ)模塊102的第一排放管106在模塊102和103連接區(qū)域的外圍側(cè)連接。通過(guò)這種方式，第二排放管134與第一排放管106連接，由此使得電能生成模塊103產(chǎn)生的副產(chǎn)品水從第二排放管134流向第一排放管106，以便排放到副產(chǎn)品吸收部分135成為可能。
應(yīng)用在目前正在研究和發(fā)展中的燃料重整型燃料電池的燃料，可以是這樣一種燃料，其是至少一種含氫元素的液體燃料、液化燃料或氣體燃料，并且由該燃料，可以利用燃料電池部分5以相對(duì)高的能量轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生電能，符合應(yīng)用要求的流體燃料包括醇液體燃料，例如除上面提到的甲醇外還有乙醇、丁醇等，還包括由在常規(guī)溫度和大氣壓下被汽化的碳?xì)浠衔飿?gòu)成的液體燃料，例如，諸如二甲醚、異丁烷和大然氣(CNG)的液化氣，或者諸如氫氣的氣體燃料。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，流動(dòng)通道設(shè)在流動(dòng)通道結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，并且流動(dòng)通道由多個(gè)連續(xù)部分組成，在這些連續(xù)部分處發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，這樣可以在多種流動(dòng)通道中有效率地連續(xù)引起多個(gè)化學(xué)反應(yīng)，整個(gè)反應(yīng)器可以變得簡(jiǎn)單和緊湊。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)反應(yīng)器，包括第一反應(yīng)部分，其具有第一流動(dòng)通道并且在該第一流動(dòng)通道中引發(fā)一第一反應(yīng)；加熱部分，其對(duì)第一反應(yīng)部分進(jìn)行加熱；第二反應(yīng)部分，其具有第二流動(dòng)通道，并且在該第二流動(dòng)通道中利用經(jīng)由該第一反應(yīng)部分傳送的該加熱部分的熱量引發(fā)一第二反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第一反應(yīng)和第二反應(yīng)是不同的反應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中發(fā)生所述第二反應(yīng)的溫度比發(fā)生所述第一反應(yīng)的溫度低。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第一流動(dòng)通道和所述第二流動(dòng)通道連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第二反應(yīng)部分具有一個(gè)汽化反應(yīng)部分，其對(duì)一生成燃料進(jìn)行汽化，而所述第一反應(yīng)部分具有一個(gè)重整反應(yīng)部分，其對(duì)汽化后的生成燃料進(jìn)行重整。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第一反應(yīng)部分具有一個(gè)重整反應(yīng)部分，其對(duì)生成燃料進(jìn)行重整，而所述第二反應(yīng)部分具有一個(gè)一氧化碳去除部分，其用來(lái)除去所述第一反應(yīng)部分中所產(chǎn)生的一氧化碳。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第一反應(yīng)部分和所述第二反應(yīng)部分形成在同一襯底上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述加熱部分的熱經(jīng)由所述襯底從所述第一反應(yīng)部分輸送到所述第二反應(yīng)部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第一流動(dòng)通道和所述加熱部分之間的距離比所述第二流動(dòng)通道和所述加熱部分之間的距離短。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第二流動(dòng)通道設(shè)置在所述第一流動(dòng)通道的周?chē)?br> 11.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，還包括一個(gè)襯底，在該襯底上形成了用于構(gòu)成所述第一流動(dòng)通道和所述第二流動(dòng)通道的槽。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第一反應(yīng)部分和所述第二反應(yīng)部分是微型反應(yīng)器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，還包括溫度計(jì)部分，其用于測(cè)量所述加熱部分的溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的化學(xué)反應(yīng)器，包括控制電路部分，其根據(jù)所述溫度計(jì)部分的溫度信息引起所述加熱部分產(chǎn)生熱量。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述加熱部分具有一燃燒部分，該燃燒部分通過(guò)一個(gè)燃燒反應(yīng)進(jìn)行加熱。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的化學(xué)反應(yīng)器，還包括一個(gè)襯底，所述第一反應(yīng)部分在該襯底上形成，并且其中所述燃燒部分經(jīng)由該襯底對(duì)所述第一部分進(jìn)行加熱。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述加熱部分具有電阻性元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的化學(xué)反應(yīng)器，還包括第三反應(yīng)部分，其具有一個(gè)第三流動(dòng)通道，并在該第三流動(dòng)通道中利用經(jīng)由所述第二反應(yīng)部分輸送的所述加熱部分的熱量引起一第三反應(yīng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的化學(xué)反應(yīng)器，其中發(fā)生所述第三反應(yīng)的溫度比發(fā)生所述第一反應(yīng)的溫度低。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的化學(xué)反應(yīng)器，其中發(fā)生所述第三反應(yīng)的溫度比發(fā)生所述第二反應(yīng)的溫度低。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第三流動(dòng)通道和所述第一流動(dòng)通道連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第三反應(yīng)部分具有一個(gè)汽化反應(yīng)部分，其對(duì)生成燃料進(jìn)行汽化，所述第一反應(yīng)部分具有一個(gè)重整反應(yīng)部分，其對(duì)汽化后的生成燃料進(jìn)行重整，所述第二反應(yīng)部分具有一個(gè)一氧化碳去除部分，其用來(lái)去除在所述第一反應(yīng)部分中產(chǎn)生的一氧化碳。
23.根據(jù)權(quán)利要求18的化學(xué)反應(yīng)器，還包括一個(gè)單個(gè)襯底，所述第一反應(yīng)部分、第二反應(yīng)部分和第三反應(yīng)部分形成在該襯底上。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述加熱部分產(chǎn)生的熱量經(jīng)該襯底從所述第一反應(yīng)部分輸送到所述第二反應(yīng)部分，并且進(jìn)一步經(jīng)該襯底從所述第二反應(yīng)部分輸送到所述第三反應(yīng)部分。
25.根據(jù)權(quán)利要求18的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第二流動(dòng)通道和所述加熱部分之間的距離比所述第三流動(dòng)通道和所述加熱部分的距離短。
26.根據(jù)權(quán)利要求18的化學(xué)反應(yīng)器，其中所述第三流動(dòng)通道設(shè)置在所述第二流動(dòng)通道的周?chē)?br> 27.一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器，包括包括互相層疊的第一襯底和第二襯底的多個(gè)襯底；第一反應(yīng)部分，其具有在所述第一襯底和所述第二襯底之間的第一流動(dòng)通道，并在該第一流動(dòng)通道中引發(fā)一第一反應(yīng)。加熱部分，其對(duì)所述第一反應(yīng)部分加熱；第二反應(yīng)部分，其具有在所述第一襯底和所述第二襯底之間或在所述第二襯底和另一與所述第二襯底相鄰的襯底之間的一個(gè)第二流動(dòng)通道，并在一溫度下通過(guò)該加熱部分在該第二流動(dòng)通道中引發(fā)一第二反應(yīng)，該溫度比發(fā)生第一反應(yīng)的溫度低。
28.一個(gè)燃料電池系統(tǒng)包括化學(xué)反應(yīng)器，該化學(xué)反應(yīng)器包括至少兩個(gè)互相層疊的襯底；第一反應(yīng)部分，其具有在所述襯底之間的一個(gè)第一流動(dòng)通道，并在該第一流動(dòng)通道中引發(fā)一第一反應(yīng)；加熱部分，其對(duì)該第一反應(yīng)部分進(jìn)行加熱；第二反應(yīng)部分，其具有在所述襯底之間的一個(gè)第二流動(dòng)通道，并在一溫度下通過(guò)該加熱部分在該第二流動(dòng)通道中引發(fā)一第二反應(yīng)，該溫度比發(fā)生所述第一反應(yīng)的溫度低；和燃料電池，其利用由所述化學(xué)反應(yīng)器重整的燃料產(chǎn)生電力。
全文摘要
一種化學(xué)反應(yīng)器包括具有第一流動(dòng)通道的第一反應(yīng)部分，并且該第一反應(yīng)部分在該第一流動(dòng)通道中引發(fā)第一反應(yīng)。一個(gè)加熱部分對(duì)第一反應(yīng)部分進(jìn)行加熱。第二反應(yīng)部分具有第二流動(dòng)通道，并且在該第二流動(dòng)通道中利用經(jīng)第一反應(yīng)部分輸送的加熱部分的熱引發(fā)第二反應(yīng)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1684761SQ200380100058
公開(kāi)日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月25日
發(fā)明者山本忠夫, 鹽谷雅治 申請(qǐng)人:卡西歐計(jì)算機(jī)株式會(huì)社