化学微反应器及其方法技术

公开了一种化学微反应器，其用于使液体源例如氨、甲醇和丁烷与适宜量的水混合并且通过蒸汽重整过程而产生氢燃料。微反应器包含毛细微通道，后者集成有电阻加热器，以便于发生催化蒸汽重整反应。两种不同的实施方式被讨论。一种实施方式采用了一个填装了催化剂的毛细微通道和至少一个多孔膜，另一种实施方式采用了一个具有大表面积的多孔膜或一个包含具有大的总表面积的多个多孔膜的多孔膜承载结构，以使所述表面积或总表面积大于大约１ｍ↑［２］／ｃｍ↑［３］。还公开了多种用于形成填装了催化剂的毛细微通道、多孔膜和多孔膜承载结构的方法。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
化学微反应器及其方法根据美国能源部与加州大学之间有关劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的运作的合同No.W-7405-ENG-48，美国政府对本专利技术拥有若干权利。
技术介绍
多孔膜反应器通常使用块状多孔介质，其被固定在用于输送化学物质的不锈钢管的端部。对于蒸汽重整含氢燃料的应用，催化剂被引入多孔膜中，并且在气体被输送到多孔膜时整个装置被加热。尽管据报道甲醇的蒸汽重整温度为350℃，但由于反应器不能与外界环境适宜地热交换，因此操作温度通常会高达例如500℃至700℃。德国专利申请DE 1998-19825102中公开了一种制造催化型微反应器的方法，其包括“将催化剂放入反应空间中”。该微反应器可以被用于碳氢化合物的蒸汽重整或部分氧化，以产生用于燃料电池的氢气。Srinivasan等在《美国化学工程师协会志》(AIChE Journal)(1997)，43(11)，3059-3069中公开了一种化学反应器的基于硅的微加工方法，该化学反应器具有亚毫米级流道，流道中带有集成加热器以及流量传感器和温度传感器。该文中讨论了该反应器的潜在用途以及各种操作条件的可能性。
技术实现思路
本专利技术的一个方面涉及一种微反应器，其包括：位于一个基-->板中的至少一个蚀刻微通道结构，其具有至少一个进口和至少一个排口；至少一个集成加热器；以及位于所述进口和所述排口之间的至少一个催化剂材料。本专利技术的另一个方面涉及一种微反应器，其包括：一个顶部基板和一个底部基板，至少一个毛细微通道容纳在所述顶部基板和所述底部基板之间，所述毛细微通道具有至少一个进口和至少一个排口；位于所述进口和所述排口之间的多个催化剂材料。位于所述排口处的至少一个多孔膜；以及至少一个集成加热器。本专利技术的另一个方面涉及一种用于形成化学微反应器的方法，其包括：在一个基板中形成至少一个毛细微通道，所述毛细微通道具有至少一个进口和至少一个排口；形成至少一个多孔膜；将至少一个催化剂材料嵌入所述多孔膜中；将至少一个加热器集成在所述化学微反应器中；使所述毛细微通道与一个液体燃料容器在所述毛细微通道的进口处相接；使所述毛细微通道与所述多孔膜在所述毛细微通道的排口处相接，以使燃料流沿水平方向从所述进口流经所述微通道，并沿竖直方向从所述微通道流经所述排口。本专利技术的另一个方面涉及一种用于操作化学微反应器的方法，其包括：将一种燃料源从一个进口开始通过一个填装有催化剂材料的微流动毛细通道传输至一个多孔膜；将所述微流动毛细通道和多孔膜加热至大约250℃和大约650℃之间的温度；以及将燃料源重整为氢气和多种其它气体材料，同时至少使氢气通过多孔膜流入与至少一个燃料电池相连的至少一个气流通道中。本专利技术的另一个方面涉及一种用于操作化学微反应器的方法，其包括：将一种燃料源通过一个第一微流动毛细通道传输至一个嵌有催化剂材料的多孔膜；将所述微流动毛细通道和多孔膜-->加热至大约250℃和大约650℃之间的温度；以及将燃料源重整为氢气和多种其它气体材料，同时至少使氢气通过多孔膜流入与至少一个燃料电池相连的至少一个气流通道中。本专利技术的另一个方面涉及一种方法，其包括：提供用于从液体源产生氢燃料的装置；以及将所述氢燃料传输至一个燃料电池。附图说明图1A中示出了微反应器的一个实施例。图1B中示出了微通道的一个实施例的多孔膜承载结构部分的俯视图。图2A中示出了具有多重微通道的微反应器的一个实施例的剖视图。图2B中示出了微反应器实施例中的微通道和电阻加热器部分的剖视图。图3中示出了具有多重微通道的微反应器的一个实施例中的微通道和电阻加热器部分的剖视图。图4A中示出了微反应器的一个实施例中的微通道和电阻加热器部分的剖视图。图4B中示出了具有多重微通道的微反应器的一个实施例中的微通道和电阻加热器部分的剖视图。图5中示出了集成有微燃烧器的微反应器的一个实施例的剖视图。具体实施方式参看图1A，一种化学微反应器2包括：一个底部基板4a，其-->由硅、玻璃或陶瓷构成；一个顶部基板4b，其由硅、玻璃或陶瓷构成；至少一个毛细微通道6，其具有至少一个用于燃料和水的进口8和至少一个用于气体的排口10；一个液体容器(未示出)，其容纳着燃料源；至少一个多孔膜12；以及至少一个集成加热器14，其用于加热微通道。如图1B所示，一个由硅、玻璃或陶瓷构成并且容纳着多个多孔膜12的多孔膜承载结构13是图1A所示多孔膜12的一种有效替代性实施例。微反应器2还可以包括一个催化燃烧微流动热源(未示出)，用于加热流经微通道和多孔膜的气体。化学微通道2设有用于产生氢燃料的装置，其用于使液体源例如氨、甲醇和丁烷与适宜量的水混合、再进行蒸汽重整以产生氢燃料。在图1A所示的替代性实施例中，毛细微通道的进口8将来自液体容器(未示出)的燃料-水混合物混合并输送通过微通道6和多孔膜12。多孔膜12也可以被替换成包含多个多孔膜的多孔膜承载结构。参看图2A，燃料-水混合物可以首先在气化区15即燃料进口与微通道连接的区域中被电阻加热器加热，以形成燃料-蒸汽气体。然后，燃料-蒸汽气体流经微通道6。微通道中可以填装有诸如以下材料：铂、铂钌合金、镍、钯、铜、氧化铜、二氧化铈、氧化锌、氧化铝、它们的组合和它们的合金。电阻加热器14可以沿微通道布置。利用微加热器将微通道6加热到大约250℃和大约650℃之间的温度，以便于发生催化蒸汽重整反应。理想的温度取决于燃料源，例如，如果使用甲醇，则有效温度为大约250℃，而氨所需的温度为大约650℃。微通道6被成型为这样的形状，即能够具有适宜体积和表面积，以使燃料-蒸汽气体在流经微通道6和多孔膜12时起反应。电连接垫16用于使电流流过电阻加热器14。尽管未示出，电连接垫16被连接到一个电源。图2B是图2A-->中所示实施例的剖视图。两种不同的实施方式可以被采用。第一实施方式采用了填装了催化剂的毛细微通道和至少一个多孔膜。在本实施方式中，多孔膜的主要目的是防止流经微通道的大的颗粒或分子穿过多孔膜。多孔膜可以包含或不包含催化剂材料。第二实施方式采用了一个具有大表面积的多孔膜或一个包含具有大的总表面积的多个多孔膜的多孔膜承载结构，以使所述表面积或总表面积大于大约1m2/cm3。量级为大约1m2/cm3至大约100m2/cm3的表面积是有效的。在本实施方式中，催化剂材料嵌入多孔膜中，而且多孔膜的主要作用是便于发生催化蒸汽重整反应。填装了催化剂的毛细微通道可以用于或不用于本实施例。本实施例可以减小微通道6所需的尺寸和长度。例如，参看图1A和1B，将包含多个多孔膜12的多孔膜承载结构13定位在微通道6的排口10处，可以提供出大表面积的催化反应。利用这种方式使微通道区域的尺寸最小化，容易将微通道6加热并维持在发生蒸汽重整反应所需的高温，即大约250℃至大约650℃。此外，多孔膜承载结构13提供出其与排口10之间的流动界面，并且对气流提供出一定程度的节流，从而导致微通道区域的背压略微升高。通过将微通道6和多孔膜12加热到适宜温度即大约250℃至大约650℃，会产生氢气。燃料-蒸汽源被重整为气态制品，即氢气和随后的副产品例如一氧化碳和二氧化碳，从而以分子形式扩散通过多孔膜并且流入燃料电池或其它本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微反应器，包括：位于一个基板中的至少一个蚀刻微通道结构，其具有至少一个进口和至少一个排口；至少一个集成加热器；以及位于所述进口和所述排口之间的至少一个催化剂材料。

【技术特征摘要】
US 2001-12-5 10/007,4121.一种微反应器，包括：位于一个基板中的至少一个蚀刻微通道结构，其具有至少一个进口和至少一个排口；至少一个集成加热器；以及位于所述进口和所述排口之间的至少一个催化剂材料。2.如权利要求1所述的微反应器，还包括：位于所述进口和所述排口之间的至少一个多孔膜。3.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述催化剂材料选自下面一组：铂，铂钌合金，镍，钯，铜，氧化铜，二氧化铈，氧化锌，氧化铝，它们的组合，以及它们的合金。4.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述集成加热器是电阻加热器。5.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述集成加热器是微燃烧加热器。6.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述排口连接着一个燃料电池的歧管。7.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，位于所述进口和所述排口之间的所述多个催化剂材料填装在所述微通道中。8.如权利要求2所述的微反应器，其特征在于，位于所述进-->口和所述排口之间的所述催化剂材料嵌入所述多孔膜中。9.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述进口连接着一个液体化学物质容器。10.如权利要求2所述的微反应器，其特征在于，所述毛细微通道与所述多孔膜相接，以使燃料流沿水平方向从所述进口流经所述微通道，并沿竖直方向从所述微通道流经所述排口。11.如权利要求1所述的微反应器，还包括：一个催化燃烧微流动热源。12.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述基板的材料选择下面一组：硅，玻璃和陶瓷。13.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述加热器集成在所述进口处。14.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述加热器沿所述微通道集成。15.如权利要求2所述的微反应器，其特征在于，所述加热器集成在所述多孔膜处。16.如权利要求2所述的微反应器，其特征在于，所述多孔膜包括多孔的厚膜，其材料选自下面一组：多孔硅，阳极氧化铝，干凝胶，玻璃，以及它们的组合。17.如权利要求2所述的微反应器，其特征在于，所述催化剂-->材料覆盖着多孔膜的大约1m2/cm3或以上的表面积。18.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述毛细微通道支持大约1毫升/分钟至大约600毫升/分钟范围内的燃料流率。19.如权利要求2所述的微反应器，还包括：一个位于所述多孔膜的排出侧的多孔收气结构。20.如权利要求19所述的微反应器，其特征在于，所述收气结构的表面积和体积为大约1m2/cm3或以上。21.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述微反应器具有用于将一种以上的液体燃料成分处理成氢燃料的装置。22.一种微反应器，包括：一个顶部基板和一个底部基板，至少一个毛细微通道容纳在所述顶部基板和所述底部基板之间，所述毛细微通道具有至少一个进口和至少一个排口；位于所述进口和所述排口之间的多个催化剂材料。位于所述排口处的至少一个多孔膜；以及至少一个集成加热器。23.如权利要求22所述的微反应器，其特征在于，位于所述进口和所述排口之间的所述多个催化剂材料填装在所述微通道中。24.如权利要求22所述的微反应器，其特征在于，位于所述-->进口和...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里D莫尔斯，艾伦扬科夫斯基，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]