Химический реактор и система топливного элемента
Изобретение относится к химическим реакторам и системе топливного элемента. Реактор содержит первую нагреваемую секцию, которая имеет первый канал протекания и вызывает первую реакцию в первом канале протекания, нагревательную секцию, которая нагревает первую нагреваемую секцию, и вторую нагреваемую секцию, которая имеет второй канал протекания и вызывает вторую реакцию или испарение во втором канале протекания посредством тепла нагревательной секции, передаваемого через первую нагреваемую секцию. Первая и вторая нагреваемые секции образованы на подложке. Реактор может дополнительно содержать третью нагреваемую секцию, которая имеет третий канал протекания и вызывает испарение в третьем канале протекания посредством тепла нагревательной секции, передаваемого через вторую нагреваемую секцию. При этом в первой нагреваемой секции реформируется испаренное топливо для генерирования, а во второй удаляется оксид углерода. Вторая реакция или испарение вызываются при температуре ниже температуры, при которой вызывается первая реакция. Химический реактор содержит множество подложек, расположенных слоями одна на другой. Реактор используют в системе топливного элемента. Изобретение просто, компактно и позволяет выполнять множество химических реакций. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 12 ил.
Изобретение относится к химическому реактору и системе топливного элемента.
В технической области химических реакций известен химический реактор, в котором текучий материал проходит по каналу протекания, образованному в подложке, для получения требуемого текучего материала в результате химической реакции. Некоторые из таких обычных химических реакторов имеют малые размеры и канал протекания с микронными или миллиметровыми размерами, который образован в подложке с малыми размерами посредством использования метода микрообработки, используемого в области технологии производства полупроводников для полупроводниковых интегральных схем и т.п., и в РСТ национальной публикации №2001-524019 раскрыт химический микрореактор с множеством многослойных подложек, в которых образованы каналы для реагирующей текучей среды. Такие химические реакторы способствуют реакции посредством нагрева реакционной печи, и сама реакционная печь имеет малые размеры, таким образом обеспечивая преимущества, заключающиеся в том, что может быть передано равномерное тепло, и реакция может быть индуцирована равномерно.
В одном химическом реакторе, который вызывает множество реакций, температура для каждой реакции может отличаться, поэтому температуру необходимо изменять локально.
Таким образом, в соответствии с преимуществами настоящего изобретения созданы химический реактор и система топливного элемента, которые обеспечивают возможность выполнения множества химических реакций и выполнения всего реактора упрощенным и с малыми размерами.
Согласно настоящему изобретению создан химический реактор, содержащий первую нагреваемую секцию, которая имеет первый канал протекания и вызывает первую реакцию в первом канале протекания, нагревательную секцию, которая нагревает первую нагреваемую секцию, и вторую нагреваемую секцию, которая имеет второй канал протекания и вызывает вторую реакцию или испарение во втором канале протекания посредством тепла нагревательной секции, передаваемого через первую нагреваемую секцию, при этом первая нагреваемая секция и вторая нагреваемая секция образованы на подложке.
Первая реакция и вторая реакция или испарение являются различными. Предпочтительно, вторая реакция или испарение вызываются при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается первая реакция, а первый канал протекания и второй канал протекания соединены.
Вторая нагреваемая секция имеет секцию испарения, в которой испаряется топливо для генерирования, и первая нагреваемая секция является секцией реакции риформинга, в которой реформируется испаренное топливо для генерирования.
Предпочтительно, первая нагреваемая секция является секцией реакции риформинга, в которой реформируется топливо для генерирования, и вторая нагреваемая секция является секцией удаления оксида углерода, в которой удаляется оксид углерода, полученный в первой нагреваемой секции.
Предпочтительно, тепло нагревательной секции передается от первой нагреваемой секции на вторую нагреваемую секцию через подложку, расстояние между первым каналом протекания и нагревательной секцией меньше расстояния между вторым каналом протекания и нагревательной секцией, а второй канал протекания расположен на периферии первого канала протекания.
Реактор дополнительно содержит другую подложку, на которой выполнены канавки, образующие первый канал протекания и второй канал протекания.
Предпочтительно, первая нагреваемая секция и вторая нагреваемая секция представляют собой микрореакторы.
Реактор дополнительно содержит секцию термометра, в которой измеряется температура нагревательной секции, и секцию схемы управления, которая вызывает вырабатывание тепла нагревательной секцией на основе информации о температуре секции термометра.
Нагревательная секция имеет секцию сгорания, которая обеспечивает нагрев в результате реакции сгорания, и резистивный элемент. При этом посредством реакции сгорания нагревается первая нагреваемая секция через подложку.
Предпочтительно, в реакторе только вторая реакция во втором канале протекания вызывается второй нагреваемой секцией. При этом реактор дополнительно содержит третью нагреваемую секцию, которая имеет третий канал протекания и вызывает испарение в третьем канале протекания посредством тепла нагревательной секции, передаваемого через вторую нагреваемую секцию. Причем испарение в третьей нагреваемой секции вызывается при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается первая реакция, или испарение в третьей нагреваемой секции вызывается при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается вторая реакция.
Предпочтительно, третий канал протекания и первый канал протекания соединены.
В реакторе первая нагреваемая секция является секцией реакции риформинга, в которой реформируется испаренное топливо для генерирования, и вторая нагреваемая секция является секцией удаления оксида углерода, в которой удаляется оксид углерода, полученный в первой нагреваемой секции.
При этом реактор содержит подложку, на которой образованы первая нагреваемая секция, вторая нагреваемая секция и третья нагреваемая секция.
Предпочтительно, тепло нагревательной секции передается от первой нагреваемой секции на вторую нагреваемую секцию через подложку и дополнительно передается от второй нагреваемой секции на третью нагреваемую секцию через подложку.
Предпочтительно, расстояние между вторым каналом протекания и нагревательной секцией меньше расстояния между третьим каналом протекания и нагревательной секцией. При этом третий канал протекания расположен на периферии второго канала протекания.
Согласно настоящему изобретению создан химический реактор, содержащий множество подложек, включающих первую и вторую подложки, расположенные слоями одна на другой, первую нагреваемую секцию, которая имеет первый канал протекания между первой подложкой и второй подложкой и вызывает первую реакцию в первом канале протекания, нагревательную секцию, которая обеспечивает нагревание первой нагреваемой секции, и вторую нагреваемую секцию, которая имеет второй канал протекания между первой подложкой и второй подложкой или между второй подложкой и другой подложкой, расположенной рядом со второй подложкой, и вызывает вторую реакцию или испарение во втором канале протекания при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается первая реакция посредством нагревательной секции.
Согласно настоящему изобретению создана система топливного элемента, содержащая химический реактор, который содержит по меньшей мере две подложки, расположенные слоями одна на другой, первую нагреваемую секцию, которая имеет первый канал протекания между подложками и вызывает первую реакцию в первом канале протекания, нагревательную секцию, которая обеспечивает нагревание первой нагреваемой секции, и вторую нагреваемую секцию, которая имеет второй канал протекания между подложками и вызывает вторую реакцию или испарение во втором канале протекания при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается первая реакция, посредством нагревательной секции, и топливный элемент, который генерирует электричество посредством использования топлива, реформированного химическим реактором.
Нагревательная секция может нагревать множество секций реакции, и особенно при нагреве множества секций реакции с различными соответствующими температурами реакции нагревательная секция может нагревать, посредством нагрева секции одной реакции, секцию другой реакции через секцию одной реакции, таким образом вызывая реакции в обоих секциях реакции при их соответствующих температурах. Подложка, в которой выполнены каналы протекания, обеспечивающие реакции, предпочтительна для данного вида теплопередачи, но если теплопроводность подложки излишне высокая, то температура тепла, которое достигает секции реакции, требующей более низкой температуры, может быть недостаточно низкой. В этом случае можно регулировать температуру посредством выполнения прорезей в частях подложки для блокирования теплопередачи.
На фиг.1 изображена блок-схема, на которой показаны существенные элементы одного примера системы топливного элемента, содержащей химический реактор, в качестве одного варианта выполнения настоящего изобретения;
на фиг.2 изображен перспективный вид существенных элементов реактора, показанного на фиг.1;
на фиг.3 изображен поперечный разрез по линии III-III на фиг.2;
на фиг.4 изображен вид в сечении сверху элемента, соответствующего первой подложке, показанной на фиг.3;
на фиг.5 изображен вид в сечении сверху элемента, соответствующего второй подложке, показанной на фиг.3;
на фиг.6 изображен вид в сечении сверху элемента, соответствующего третьей подложке, показанной на фиг.3;
на фиг.7 изображен график, показывающий изменения во времени температуры нагрева в канале протекания испарения, канале протекания риформинга и канале протекания удаления оксида углерода;
на фиг.8 изображена схематическая конфигурация секции топливного элемента и зарядной секции, показанных на фиг.1;
на фиг.9 изображен поперечный разрез, аналогичный фиг.3, показывающий существенные элементы реактора другого варианта выполнения настоящего изобретения;
на фиг.10 изображен вид в сечении сверху элемента, соответствующего четвертой подложке, показанной на фиг.9;
на фиг.11 изображен поперечный разрез, аналогичный фиг.3, показывающий существенные элементы реактора еще другого варианта выполнения настоящего изобретения; и
на фиг.12 изображен перспективный вид, показывающий систему топливного элемента с местным разрезом, содержащую реактор согласно настоящему изобретению.
Далее будет описан химический микрореактор одного варианта выполнения настоящего изобретения, который применяется в реакторе риформинга системы топливного элемента типа риформинга топлива. На фиг.1 изображена блок-схема, на которой показаны существенные элементы одного примера системы 1 топливного элемента. Эта система 1 топливного элемента содержит секцию 2 топлива для генерирования, секцию 3 топлива для сгорания, химический микрореактор 4, секцию 5 топливного элемента и зарядную секцию 6.
Секция 2 топлива для генерирования включает контейнер хранения топлива для генерирования, в котором герметизировано топливо 68 для генерирования (например, раствор метанола), и подает топливо 68 для генерирования в химический микрореактор 4. Секция 3 топлива для сгорания включает контейнер хранения топлива для сгорания, в котором герметизировано топливо 69 для сгорания (например, метанол), и подает топливо 69 для сгорания в химический микрореактор 4. Химический микрореактор 4 включает секцию 7 испарения топлива для генерирования, которая испаряет текучее топливо 68 для генерирования, секцию 8 реакции риформинга, которая реформирует испаренное топливо 68 для генерирования, секцию 9 удаления оксида углерода, которая удаляет оксид углерода, содержащийся в реформированной текучей среде, секцию 10 сгорания для нагрева секции 7 испарения топлива для генерирования, секции 8 реакции реформинга, секции 9 удаления оксида углерода и секцию 11 тонкопленочного нагревателя.
На фиг.2 изображен перспективный вид существенных элементов химического микрореактора 4. Химический микрореактор 4 включает первую подложку 12, вторую подложку 13 и третью подложку 14, которые имеют малые размеры и расположены слоями одна на другой. Три подложки 12-14 размещены во внешнем блоке, состоящем из первой внешней панели 15 и второй внешней панели 16, которые соединены друг с другом. Другими словами, вогнутые элементы 17 и 18 образованы на поверхностях, которые противоположны друг другу, первых и вторых внешних панелей 15 и 16, и первые-третьи подложки 12-14 размещены в вогнутых элементах 17 и 18. Стекло является одним примером материала первых-третьих подложек 12-14 и первых и вторых внешних панелей 15 и 16, но кремний, керамика, металлическое элементарное вещество (например, алюминий), сплавы металлов, металлические соединения и т.п., которые обладают высокой обрабатываемостью, могут использоваться для первой подложки 12 и третьей подложки 14, в которых выполнены каналы протекания.
В трех заранее определенных частях первой внешней панели 15 выполнены круглые сквозные отверстия 24, 25 и 26, в которые вставлены первые концевые части трубочки 21 подачи топлива для генерирования, трубочки 22 выпуска продукта генерирования и трубочки 23 подачи кислорода. В трех заранее определенных частях второй внешней панели 16 выполнены круглые сквозные отверстия 30, 31 и 32, в которые вставлены первые концевые части трубочки 27 подачи топлива для сгорания, трубочки 28 выпуска газа сгорания и трубочки 29 подачи кислорода. В заранее определенных частях первой внешней панели 15 образовано множество круглых сквозных отверстий 34, в которые вставлены первые концевые части множества электродов 33. Множество электродов 33 функционирует в качестве группы сигнальных проводов для электрического управления тонкопленочным нагревателем или нагревательной секцией 11, которая нагревает секцию 7 испарения топлива для генерирования и секцию 8 реакции реформинга химического микрореактора 4, описанного ниже, и для электрического управления первым микронасосом 46 (см. фиг.1) и также функционирует в качестве проводов для подачи и приема сигналов, включающих данные о температуре, определенные секцией 19 термометра, которая определяет температуру в химическом микрореакторе 4.
На фиг.3 представлен поперечный разрез по линии III-III на фиг.2 и линии III-III на фиг.4. На фиг.4 представлен непрямой вид сверху элемента, соответствующего первой подложке 12, на фиг.5 представлен непрямой вид сверху элемента, соответствующего второй подложке 13, и на фиг.6 представлен непрямой вид сверху элемента, соответствующего третьей подложке 14. На поверхностях внутренней стенки вогнутого элемента 17 первой внешней панели 15 и вогнутого элемента 18 второй внешней панели 16 предусмотрены пленки 35 предотвращения излучения тепла, которые выполнены из металла, такого как Au, Ag или Al с высокой отражательной способностью тепловых лучей, за исключением частей, соответствующих круглым пропускающим отверстиям 24, 25, 26, 30, 31, 32 и 34, показанным на фиг.2.
На крайних поверхностях первых-третьих подложек 12-14, т.е. на верхней поверхности (поверхности, противоположной стороне, обращенной ко второй подложке 13) и боковых поверхностях первой подложки 12, боковых поверхностях второй подложки 13 и нижней поверхности (поверхности, противоположной стороне, обращенной ко второй подложке 13) и боковых поверхностях третьей подложки 14 предусмотрена пленка 36 предотвращения тепловыделения, образованная из того же материала, что и описанный выше, за исключением частей, соответствующих круглым пропускающим отверстиям 24, 25, 26, 30, 31, 32 и 34, показанным на фиг.2, и за исключением частей, соответствующих прорезям 56, описанным ниже.
Полость или промежуток 37 предусмотрен между пленкой 36 предотвращения выделения или выработки тепла, уложенной на крайних поверхностях первых-третьих подложек 12-14, и пленками 35 предотвращения тепловыделения, уложенными на внутренних поверхностях первых и вторых внешних панелей 15 и 16, так что наименьшее количество тепла, выделяемого первыми-третьими подложками 12-14, передается первым и вторым внешним панелям 15 и 16. Во множестве заранее определенных частей полости 37 предусмотрено множество стойких к давлению прокладок 38 для удержания первых-третьих подложек 12-14 и сохранения ширины щели 37. Две из множества стойких к давлению прокладок 38 предусмотрены для каждой поверхности первых-третьих подложек 12-14.
Щель 37 предотвращает выделение в атмосферу тепла, выработанного, как описано ниже, в первых-третьих подложках 12-14, при этом в щели 37 образуется разрежение или газ с малой теплопроводностью (такой как атмосферный воздух, газообразный диоксид углерода или хлорфторуглерод) наполняет щель 37. Пленки 35 и 36 предотвращения тепловыделения подавляют тепловыделение от крайних поверхностей первых-третьих подложек 12-14 наружу через первые и вторые внешние панели 15 и 16, причем можно обходиться без любой из пленок предотвращения тепловыделения.
Как показано на фиг.4, канавка 57 канала протекания испарения, канавка 58 канала протекания реакции риформинга и канавка 59 канала протекания удаления оксида углерода образованы непрерывно на внутренней поверхности первой подложки 12. Канавка 57 канала протекания испарения первой подложки 12 и противоположная поверхность второй подложки 13 объединены друг с другом, образуя канал 41 протекания испарения, по которому проходит топливо 68 для генерирования во время его испарения. Канавка 58 канала протекания реакции риформинга первой подложки 12 и противоположная поверхность второй подложки 13 соединены друг с другом, образуя канал 42 протекания реакции риформинга, по которому проходит текучая среда, полученная из испаренного топлива 68, для генерирования во время реакции риформинга. Канавка 59 канала протекания удаления оксида углерода первой подложки 12 и противоположная поверхность второй подложки 13 объединены друг с другом, образуя канал 43 протекания удаления оксида углерода, по которому проходит текучая среда, полученная из реформированного топлива 68 для генерирования, в то время как удаляется оксид углерода, содержащийся в ней. Канал 41 протекания испарения предусматривается с выполнением примерно полутора витков от нижнего левого угла по направлению часовой стрелки с общей длиной, равной 1 см или более и 10 см или менее, по периферийной части внутренней поверхности (поверхности, противоположной второй подложке 13) первой подложки 12. Меандрирующий канал 42 протекания реакции риформинга выполнен непрерывно от канала 41 протекания испарения с общей длиной, равной 3 см или более и 20 см или менее, в центральной части внутренней поверхности первой подложки 12, как указано штриховкой. Меандрирующий соответствующим образом канал 43 протекания удаления оксида углерода выполнен непрерывно от канала 42 протекания реакции риформинга с общей длиной, равной 3 см или более и 20 см или менее, на внутренней поверхности первой подложки 12 за исключением периферийной части и центральной части. Как ширина, так и глубина канала 41 протекания испарения, канала 42 протекания реакции риформинга и канала 43 протекания удаления оксида углерода, в качестве одного примера, составляют примерно 500 мкм или менее. Таким образом, завершающий конец канала 41 протекания испарения соединен с начальным концом канала 42 протекания реакции риформинга, и завершающий конец канала 42 протекания реакции риформинга соединен с начальным концом канала 43 протекания удаления оксида углерода.
Канал 41 протекания испарения составляет секцию 7 испарения топлива для генерирования, которая представляет собой реакционную печь, где испаряется топливо 68 для генерирования в жидком виде. В канале 41 протекания испарения не предусматривается катализатор реакции. Канал 42 протекания реакции риформинга составляет секцию 8 реакции риформинга, которая представляет собой реакционную печь, где реформируется топливо 68 для генерирования, испаренное секцией 7 испарения топлива для генерирования. В этом случае поверхность канавки 58 в канале 42 протекания реакции риформинга предусмотрена со слоем 44 катализатора риформинга (см. фиг.3), который образован из катализатора риформинга, такого как Cu или ZnO, поддерживаемого пористой опорной пленкой, такой как Al2O3. Канал 43 протекания удаления оксида углерода составляет реакционную печь секции 9 удаления оксида углерода, которая представляет собой реакционную печь, в которой удаляется оксид углерода, содержащийся в побочном продукте, полученном в секции 8 реакции риформинга. В данном случае поверхность канавки 59 в канале 43 протекания удаления оксида углерода предусмотрена со слоем 45 катализатора избирательного окисления (см. фиг.3), который образован из катализатора риформинга, такого как РТ, поддерживаемого пористой опорной пленкой, такой как Al2O3.
Первый микронасос 46 расположен в заранее определенном положении в нижнем левом углу внутренней поверхности первой подложки 12. Первый микронасос 46 всасывает из секции 2 топлива для генерирования количество топлива 68 для генерирования в соответствии с сигналом, который подается от секции 20 схемы управления (см. фиг.1) в системе 1 топливного элемента через электроды 33 или т.п., и затем подает его в начальный конец канала 41 протекания испарения через трубочку 21 подачи топлива для генерирования.
Первый микронасос 46 может быть очень маленьким и инжектирует жидкость в виде частиц из сопла, в то же самое время управляя количеством впрыскиваемой жидкости. Первым микронасосом 46 предпочтительно, например, является инжектор, который нагревает жидкость в сопле, чтобы инжектировать жидкость в виде частиц под давлением пузырьков воздуха в сопле, полученном посредством пленочного кипения; инжектор (так называемый метод пьезоструи), который инжектирует жидкость в сопле в виде частиц посредством волн сжатия, вызываемых в сопле вследствие деформации электрострикционного элемента (пьезоэлемента); или инжектор (так называемый метод электростатической струи), который инжектирует жидкость в сопле в виде частиц посредством колебаний вследствие электростатической силы диафрагмы в сопле. Это же применимо ко второму микронасосу 47 или т.п., описанным ниже.
Один конец трубочки 23 подачи кислорода соединен с заранее определенной частью 43а вблизи начального конца канала 43 протекания удаления оксида углерода. В результате приведения в действие четвертого микронасоса 49, предусмотренного снаружи химического микрореактора 4, кислород (воздух) из атмосферы подается в заранее определенную часть 43а вблизи начального конца канала 43 протекания удаления оксида углерода через трубочку 23 подачи кислорода. Третий микронасос 48 управляет количеством подачи кислорода в соответствии с сигналом, подаваемым от секции 20 схемы управления в системе 1 топливного элемента. Один конец трубочки 22 выпуска продукта генерирования соединен с заранее определенной частью 43b вблизи завершающего конца канала 43 протекания удаления оксида углерода.
Как показано на фиг.3 и фиг.5, секция 11 тонкопленочного нагревателя, содержащая тонкую пленку резистивного элемента выработки тепла, такую как TaSiOx или TaSiOxN, которая вырабатывает тепло в соответствии с напряжением, приложенным посредством сигнала от секции 20 схемы управления, предусмотрена на части, противоположной каналу 42 протекания реакции риформинга на поверхности второй подложки 13, противоположной первой подложке 12. Секция 11 тонкопленочного нагревателя расположена в канале 42 протекания реакции риформинга, используется в качестве источника тепла, необходимого для первоначального состояния реакции риформинга в канале 42 протекания реакции риформинга секции 8 риформинга, управляет температурой в канале 42 протекания реакции риформинга и также используется в качестве источника тепла, необходимого для первоначального состояния химических реакций в канале 41 протекания испарения секции 7 испарения топлива для генерирования и в канале 43 протекания удаления оксида углерода секции 9 реакции удаления оксида углерода.
Нагрев в канале 42 протекания реакции риформинга выполняется тепловой энергией, вырабатываемой в основном в секции 10 сгорания (подробности которой описаны ниже), показанной на фиг.1. Тонкопленочный нагреватель 11 используется вторично. Другими словами, секция 10 сгорания является в основном источником тепла, передаваемого для того, чтобы обеспечить реакции в канале 41 протекания испарения секции 7 испарения топлива для генерирования, в канале 42 протекания реакции риформинга секции 8 риформинга и в канале 43 протекания удаления оксида углерода секции 9 реакции удаления оксида углерода. Тонкопленочный нагреватель 11 имеет функцию точной регулировки, так что достигаются соответствующие температуры в канале 41 протекания испарения, канале 42 протекания реакции риформинга и канале 43 протекания удаления оксида углерода в соответствии с сигналом, подаваемым от секции 20 схемы управления в системе 1 топливного элемента через электроды 33 или т.п.
Секция 19 тонкопленочного термометра, состоящая из тонкопленочного термометра или полупроводниковой тонкопленочной термопары, расположена вблизи канала 42 протекания реакции риформинга. Секция 19 тонкопленочного термометра определяет температуру в канале 41 протекания испарения секции 7 испарения топлива для генерирования, подогреваемой секцией 10 сгорания и тонкопленочным нагревателем 11, температуру в канале 42 протекания реакции риформинга секции 8 реформинга и температуру в канале 43 протекания удаления оксида углерода секции 9 удаления оксида углерода и затем подает сигналы определения температуры на секцию 20 схемы управления в системе 1 топливного элемента через электроды 33 или т.п. На основе данных сигналов определения температуры секция 20 схемы управления в системе 1 топливного элемента управляет выработкой тепла тонкопленочным нагревателем 11, так что достигаются соответствующие температуры в канале 41 протекания испарения секции 7 испарения топлива для генерирования, в канале 42 протекания реакции риформинга секции 8 риформинга и в канале 43 протекания удаления оксида углерода секции 9 удаления оксида углерода.
Секция 11 тонкопленочного нагревателя, включающая тонкую пленку резистивного элемента выработки тепла, также может служить в качестве секции 19 точного термометра, поскольку она проявляет изменение сопротивления, которое является линейным относительно температуры t нагрева и которое имеет большую величину. Другими словами, по меньшей мере два вывода, соединенные с электродами 33, установлены подсоединенными к обоим концам секции 11 тонкопленочного нагревателя, и напряжение приложено к этим двум выводам, таким образом нагревая секцию 11 тонкопленочного нагревателя. В этом случае, так как сопротивление секции 11 тонкопленочного нагревателя зависит от температуры нагрева, то секция 20 схемы управления может считывать изменение сопротивления секции 11 тонкопленочного нагревателя посредством считывания изменения напряжения на двух выводах через электроды 33. Такая конфигурация позволяет выполнить блок с более высокой плотностью.
Вокруг периферийной части внутренней поверхности (поверхности, обращенной ко второй подложке 13) третьей подложки 14 непрерывно вырезана по направлению часовой стрелки канавка 51 канала протекания испарения топлива для сгорания, составляя примерно полтора витка так, что она перекрывает и проходит вдоль канала 42 протекания реакции риформинга первой подложки 12, как показано на фиг.6. Как указано штриховкой на фиг.6, канавка 52 канала протекания сгорания образована меандрирующим образом, так что она перекрывает и проходит вдоль канала 42 протекания реакции риформинга первой подложки 12. Линейная канавка 53 канала протекания выпуска вырезана слева внизу от центральной части внутренней поверхности третьей подложки 14. Завершающий конец канавки 51 канала протекания испарения топлива для сгорания сообщается с начальным концом канавки 52 канала протекания сгорания. Завершающий конец канавки 52 канала протекания сгорания сообщается с начальным концом канавки 53 канала протекания выпуска. Канавка 51 канала протекания испарения топлива для сгорания третьей подложки 14 и противоположная поверхность второй подложки 13 объединены друг с другом, образуя канал 75 протекания испарения топлива для сгорания. Канавка 52 канала протекания сгорания третьей подложки 14 и противоположная поверхность второй подложки 13 объединены друг с другом, образуя канал 76 протекания сгорания. Канавка 53 канала протекания выпуска третьей подложки 14 и противоположная поверхность второй подложки 13 объединены друг с другом, образуя канал 77 протекания выпуска. В канале 76 протекания сгорания из числа вышеупомянутых каналов протекания в канавке 52 канала протекания сгорания предусмотрен слой 54 катализатора сгорания (см. фиг.3), выполненный из Pt, Au, Ag и т.п. Канал 76 протекания сгорания функционирует в качестве секции 10 сгорания. В качестве одного примера ширина и глубина канала 75 протекания испарения топлива для сгорания, канала 76 протекания сгорания и канала 77 протекания выпуска у всех составляют примерно 500 мкм или менее.
Второй микронасос 47 расположен в заранее определенном положении в нижнем левом углу внутренней поверхности третьей подложки 14. На второй микронасос 47 автоматически подается топливо 69 для сгорания от секции 3 топлива для сгорания через трубочку 27 подачи топлива для сгорания посредством капиллярного эффекта или посредством приведения в действие второго микронасоса 47. Второй микронасос 47 инжектирует топливо 69 для сгорания в начальный конец канала 75 протекания испарения топлива для сгорания, в то же самое время управляя величиной впрыскиваемого топлива в соответствии с сигналом, подаваемым от секции 20 схемы управления в системе 1 топливного элемента через электроды 33 или т.п.
В заранее определенной части 75а завершающего конца канала 75 протекания испарения топлива для сгорания во второй внешней панели 16 выполнено круглое пропускающее отверстие 32 для сообщения с одним концом трубочки 29 подачи кислорода, показанной на фиг.2, и сквозное отверстие выполнено в третьей подложке 14. Посредством приведения в действие третьего микронасоса 48, предусмотренного снаружи химического микрореактора 4, кислород (воздух) из атмосферы подается в заранее определенную часть 75а вблизи завершающего конца канала 75 протекания испарения топлива для сгорания по трубочке 29 подачи кислорода. Третий микронасос 48 управляет величиной подачи кислорода в соответствии с сигналом, подаваемым от секции 20 схемы управления в системе 1 топливного элемента. Один конец трубочки 28 выпуска газа сгорания, показанной на фиг.2, соединен с завершающим концом канала 77 протекания выпуска. Другой конец трубочки 28 выпуска газа сгорания сообщен с наружной частью системы 1 топливного элемента и открыт в атмосферу.
В данном случае, как показано на фиг.3-6, канал 42 протекания реакции риформинга, тонкопленочный нагреватель 11 и канал 76 протекания сгорания расположены в одном местоположении на виде сверху. Ширина тонкопленочного нагревателя 11 меньше ширины канала 42 протекания реакции риформинга, так что он может быть установлен в канавку 58 канала протекания реакции риформинга. В частях первых-третьих подложек 12-14, на периферии области, где расположены канал 42 протекания реакции риформинга, тонкопленочный нагреватель 11 и канал 76 протекания сгорания, выполнены, соответственно, четыре прорези 56. Прорези 56 составляют секцию с малоэффективной теплопроводностью, теплопроводность которой ниже теплопроводности первых-третьих подложек 12-14, и осуществляют регулировку, так что тепловая энергия, вырабатываемая секцией 10 сгорания и тонкопленочным нагревателем 11, как описано ниже, не передается чрезмерно каналу 41 протекания испарения и каналу 43 протекания удаления оксида углерода через первые-третьи подложки 12-14, вызывая перегрев в канале 41 протекания испарения и канале 43 протекания удаления оксида углерода. Прорези 56 наполняются газом с малой теплопроводностью (таким, как атмосферный воздух, газообразный диоксид углерода или хлорфторуглерод) или имеют атмосферу со сниженным давлением до 1 Pa или менее.
Ниже описывается принцип действия химического микрореактора 4, имеющего вышеупомянутую конфигурацию. Сначала, когда топливо 69 для сгорания (например, метанол) в жидком виде подается от второго микронасоса 47 в начальный конец канала 75 протекания испарения топлива для сгорания, тепловая энергия вследствие только первоначальной выработки тепла тонкопленочным нагревателем 11 передается канавке 51 канала протекания испарения топлива для сгорания через первые-третьи подложки 12-14, таким образом нагревая внутреннюю часть канала 75 протекания испарения топлива для сгорания до заранее определенной температуры. В канале 75 протекания испарения топлива для сгорания топливо 69 для сгорания нагревается и, таким образом, испаряется и становится топливным газом для сгорания (например, СН3ОН, если топливом 69 для сгорания является метанол).
Полученный топливный газ для сгорания (СН3ОН) смешивается с кислородом (воздухом), подаваемым по трубочке 29 подачи кислорода из атмосферы, в заранее определенной части 75а вблизи завершающего конца канала 75 протекания испарения топлива для сгорания. Когда смешанный газ (СН3ОН+O2) подается в канал 76 протекания сгорания, имеющий слой 54 катализатора сгорания, то подаваемый смешанный газ сгорает на слое 54 катализатора сгорания в результате реакции сгорания, согласно следующему уравнению (1), и вырабатывается тепловая энергия в результате данного сгорания
Данная тепловая энергия нагревает, главным образом, внутреннюю часть канала 42 протекания реакции риформинга и затем передается первым-третьим подложкам 12-14 и нагревает внутреннюю часть канала 43 протекания удаления оксида углерода секции 9 удаления оксида углерода и внутреннюю часть канала 41 протекания испарения секции 7 испарения топлива для генерирования. После этого тонкопленочный нагреватель 11 прекращает или снижает только первоначальную выработку тепла, и последующая выработка тепла управляется секцией 20 схемы управления в системе 1 топливного элемента в соответствии с сигналом определения температуры секции 19 термометра. С другой стороны, газ сгорания (СО2) на правой стороне уравнения (1) выпускается в атмосферу через канал 77 протекания выпуска и трубочку 28 выпуска газа сгорания. Побочная вода собирается секцией 109 сбора побочного продукта, описанной ниже.
В этом случае необходимая температура нагрева в реакционной печи секции 8 риформинга, образованной каналом 42 протекания реакции риформинга, равна примерно 250-320°С, и необходимая температура нагрева в реакционной печи секции 9 удаления оксида углерода, образованной каналом 43 протекания удаления оксида углерода, меньше вышеупомянутой температуры и равна примерно 160-220°С, а необходимая температура нагрева в реакционной печи секции 7 испарения топлива для генерирования, образованной каналом 41 протекания испарения, еще меньше вышеупомянутой температуры и равна примерно 100-150°С. Канал 41 протекания испарения может быть выполнен с металлической пленкой в нем, теплопроводность которой выше, чем теплопроводность первой подложки 12 и второй подложки 13, чтобы эффективно поглощать тепло от источника тепла и излучать его в канал протекания.
Как описано выше, канал 76 протекания сгорания секции 10 сгорания и тонкопленочный нагреватель 11, которые являются источниками тепла, расположены в центральной части первых-третьих подложек 12-14, и канал 42 протекания реакции риформинга секции 8 риформинга, необходимая температура нагрева которой (примерно 250-320°С) является наивысшей, расположен в центральной части, и снаружи их расположен канал 43 протекания удаления оксида углерода секции 9 удаления оксида углерода, необходимая температура нагрева которой (примерно 160-220°С) меньше вышеупомянутой температуры, и еще далее снаружи их расположен канал 41 протекания испарения секции 7 испарения топлива для генерирования, необходимая температура нагрева которой (примерно 100-150°С) еще ниже. Таким образом, расстояние от секции 10 сгорания меньше в порядке расположения канала 42 протекания реакции риформинга, канала 43 протекания удаления оксида углерода и канала 41 протекания испарения, и расстояние от тонкопленочного нагревателя 11 меньше в порядке расположения канала 42 протекания реакции риформинга, канала 43 протекания удаления оксида углерода и канала 41 протекания испарения. Таким образом, тепловая энергия, вырабатываемая в секции 10 сгорания и тонкопленочном нагревателе 11, сначала нагревает секцию 8 риформинга до ее необходимой температуры нагрева. Температура уменьшается по мере того, как тепловая энергия передается через первые-третьи подложки 12-14. Когда она достигает секции 9 удаления оксида углерода, расположенной на периферии секции 8 риформинга, температура понижается до необходимой температуры нагрева секции 9 удаления оксида углерода. Наконец, когда она достигает секции 7 испарения топлива для генерирования, расположенной за пределами секции 9 удаления оксида углерода, через первые-третьи подложки 12-14, температура понижается до необходимой температуры нагрева секции 7 испарения топлива для генерирования. Таким образом, секция 7 испарения топлива для генерирования, секция 8 реакции риформинга и секция 9 удаления оксида углерода нагреваются соответственно до их соответствующих температур.
В то время как температурой нагрева легко управлять в тонкопленочном нагревателе 11, трудно точно управлять температурой нагрева в канале 42 протекания реакции риформинга посредством управления реакцией сгорания в канале 76 протекания сгорания секции 10 сгорания. Поэтому тепловая энергия, вырабатываемая реакцией сгорания в канале 76 протекания сгорания, доводится, например, до температуры примерно 190-300°С, которая несколько ниже необходимой температуры нагрева (примерно 250-320°С) в канале 42 протекания реакции риформинга секции 8 риформинга. Затем секция 20 схемы управления принимает информацию о температуре в канале 42 протекания реакции риформинга с электродов 33 и возвращает электрическую энергию, подлежащую подаче на тонкопленочный нагреватель 11, так что может быть быстро достигнута необходимая температура нагрева, и может быть выполнено точное управление температурой, которое непрерывно поддерживает необходимую температуру, посредством секции 7 испарения топлива для генерирования. Следовательно, могут поддерживаться необходимые температуры нагрева секции 8 риформинга и секции 9 удаления оксида углерода.
Если материалами для первых-третьих подложек 12-14 являются стекло, кремний, керамика, металлы и т.п., то их теплопроводность значительно выше теплопроводности воздуха, так что без принятия каких-либо мер температура становится примерно одинаковой во всех первых-третьих подложках 12-14. Поэтому, как описано выше, четыре прорези 56 выполнены в частях первых-третьих подложек 12-14 на периферии области, где расположены канал 76 протекания сгорания секции 10 сгорания, тонкопленочный нагреватель 11 и канал 42 протекания реакции риформинга секции 8 риформинга, и образуется разрежение в атмосфере внутри данных прорезей 56, или газ с малой теплопроводностью (такой как атмосферный воздух, газообразный диоксид углерода или хлорфторуглерод) наполняет атмосферу внутри данных прорезей 56, посредством чего можно предотвратить чрезмерную передачу тепловой энергии, вырабатываемой в секции 10 сгорания и тонкопленочном нагревателе 11, в канал 43 протекания удаления оксида углерода и канал 41 протекания испарения через первые-третьи подложки 12-14. В прорезях 56 могут содержаться пористые структуры со свойствами теплопередачи, выполненные из керамики или т.п.
В случае только первых-третьих подложек 12-14, так как их размеры малые и отношение площади поверхности к объему большое, становится большой тепловая энергия, выделяемая в атмосферу, и становится низкой эффективность использования тепловой энергии. Поэтому, как описано выше, первые-третьи подложки 12-14 покрываются первыми и вторыми внешними панелями 15 и 16 и между ними предусмотрена полость 37, а затем образуется разрежение в атмосфере полости 37, или газ с малой теплопроводностью (такой как атмосферный воздух, газообразный диоксид углерода, хлорфторуглерод или инертный газ) наполняет атмосферу полости 37, затем внешние поверхности первых-третьих подложек 12-14 покрываются пленкой 36 для предотвращения тепловыделения, и внутренние поверхности первой внешней панели 15 и второй внешней панели 16 покрываются пленкой 35 для предотвращения тепловыделения, таким образом становится возможным предотвратить выделение в атмосферу тепловой энергии, создаваемой секцией 10 сгорания и тонкопленочным нагревателем 11, и повысить эффективность использования тепловой энергии.
В том случае, когда первые-третьи подложки 12-14 покрыты первыми и вторыми внешними панелями 15 и 16 для снижения тепла, выделяемого в атмосферу, если температура в первых и вторых внешних панелях 15 и 16 становится слишком высокой, и трудно поддерживать распределение температуры в первых-третьих подложках 12-14 на первоначальной величине, даже после того как передаваемая теплота регулируется посредством прорезей 56, то все или часть из множества стойких к давлению прокладок 38 выполнены из материала с высокой теплопроводностью, такого как металл или стекло, и тепло умеренно выделяется за пределы химического микрореактора 4 через стойкие к давлению прокладки 38. Таким образом, распределение температуры в первых-третьих подложках 12-14 может быть доведено до первоначальной величины. Более того, когда останавливается вырабатывание тепла тонкопленочным нагревателем 11 и секцией 10 сгорания, такое тепловыделение посредством использования стойких к давлению прокладок 38 может служить для быстрого снижения температуры первых и вторых внешних панелей 15 и 16.
Таким образом, система 1 топливного элемента регулирует тепло, выделяемое из нее наружу через стойкие к давлению прокладки 38, так что распределение температуры в первых-третьих подложках 12-14 может поддерживаться на первоначальном значении.
В этом случае после нагрева тепловой энергией, вырабатываемой секцией 10 сгорания, и тепловой энергией, вырабатываемой тонкопленочным нагревателем 11, контролируются изменения во времени соответствующих температур нагрева в канале 41 протекания испарения, канале 42 протекания реакции реформинга и канале протекания удаления оксида углерода, таким образом получая результаты, показанные на фиг.7. На фиг.7 сплошная линия обозначает температуру нагрева в канале 42 протекания реакции риформинга секции 8 риформинга, пунктирная линия обозначает температуру нагрева в канале 43 протекания удаления оксида углерода секции 9 удаления оксида углерода, и штрихпунктирная линия обозначает температуру нагрева в канале 41 протекания испарения секции 7 испарения топлива для генерирования.
Как видно из фиг.7, примерно через 40 секунд после начала выработки тепла почти стабилизируется каждая температура нагрева, и температура нагрева в канале 42 протекания реакции риформинга, обозначенная сплошной линией, может составлять примерно 300°С, и температура нагрева в канале 43 протекания удаления оксида углерода, обозначенная пунктирной линией, может составлять примерно 200°С, и, далее, температура нагрева в канале 41 протекания испарения, обозначенная штрихпунктирной линией, может составлять примерно 150°С.
Таким образом, посредством нагрева тепловой энергией, вырабатываемой в канале 76 протекания сгорания секции 10 сгорания, и тепловой энергией, вырабатываемой тонкопленочным нагревателем 11, температура нагрева в реакционной печи секции 8 риформинга, образованной каналом 42 протекания реакции риформинга, доводится до необходимой температуры нагрева, равной примерно 250-320°С, температура нагрева в реакционной печи секции 9 удаления оксида углерода, образованной каналом 43 протекания удаления оксида углерода, доводится до необходимой температуры нагрева, равной примерно 160-220°С, и температура нагрева в реакционной печи секции 7 испарения топлива для генерирования, образованной каналом 41 протекания испарения, доводится до необходимой температуры нагрева, равной примерно 100-150°С.
Когда топливо 68 для генерирования в жидком виде (например, раствор метанола) подается в начальный конец канала 41 протекания испарения от первого микронасоса 46, то топливо 68 для генерирования испаряется в канале 41 протекания испарения, который внутри нагревается до необходимой температуры нагрева, равной примерно 100-150°С, и вырабатывается топливный газ для генерирования (например, СН3ОН(g)+Н2O(g), когда топливом 68 для генерирования является раствор метанола). Другими словами, топливный газ для генерирования (СН3ОН+Н2О) вырабатывается в секции 7 испарения топлива для генерирования.
Выработанный топливный газ для генерирования (СН3ОН+Н2О) подается в канал 42 протекания реакции риформинга. Другими словами, топливный газ для генерирования (СН3ОН+H2O), выработанный в секции 7 испарения топлива для генерирования, подается на секцию 8 риформинга. Затем, когда топливный газ для генерирования (СН3ОН+Н2O) подается в канал 42 протекания реакции риформинга, имеющий слой 44 катализатора риформинга, в канале 42 протекания реакции риформинга вызывается эндотермическая реакция в соответствии со следующим уравнением (2), потому что внутренняя часть канала 42 протекания реакции риформинга нагревается до необходимой температуры нагрева, равной примерно 250-320°С, таким образом получая водород и побочный диоксид углерода
В этот момент в канале 42 протекания реакции риформинга может получаться небольшое количество оксида углерода. Данные продукты (водород, диоксид углерода и небольшое количество оксида углерода) подаются в канал 43 протекания удаления оксида углерода. Другими словами, водород, диоксид углерода и небольшое количество оксида углерода, полученные в секции 8 риформинга, подаются на секцию 9 удаления оксида углерода. Эти продукты (водород, диоксид углерода и небольшое количество оксида углерода) смешиваются с кислородом (воздухом), подаваемым по трубочке 23 подачи кислорода из атмосферы снаружи системы 1 топливного элемента, в заранее определенной части 43а вблизи начального конца канала 43 протекания удаления оксида углерода. В этом случае в трубочке 23 подачи кислорода предусматривается обратный клапан, так что не происходит утечка продуктов наружу из системы 1 топливного элемента.
Когда смесь (водород, диоксид углерода, небольшое количество оксида углерода и кислород) подается в канал 43 протекания удаления оксида углерода, имеющий слой 45 катализатора избирательного окисления, оксид углерода и кислород вступают в реакцию в канале 43 протекания удаления оксида углерода, внутренняя часть которого нагревается до необходимой температуры нагрева, равной примерно 160-220°С, таким образом получая диоксид углерода в соответствии со следующим уравнением (3):
Наконец, большая часть текучих сред, достигающих завершающего конца канала 43 протекания удаления оксида углерода, который составляет реакционную печь секции 9 удаления оксида углерода, представляет собой водород и диоксид углерода. Эти продукты выпускаются наружу через трубочку 22 выпуска продукта генерирования, но из этих продуктов диоксид углерода отделяется от водорода секцией 66 разделения (см. фиг.1) для вывода наружу из системы 1 топливного элемента. Поэтому водород и водяной пар подаются из секции 9 удаления оксида углерода на секцию 5 топливного элемента.
Как описано выше, в химическом микрореакторе 4, имеющем вышеупомянутую конфигурацию, на внутренней поверхности первой подложки 12 канал 41 протекания испарения, который образует реакционную печь секции 7 испарения топлива для генерирования, канал 42 протекания реакции риформинга, который образует реакционную печь секции 8 риформинга, и канал 43 протекания удаления оксида углерода, который образует реакционную печь секции 9 удаления оксида углерода, выполнены непрерывно в одной и той же подложке, так что три химические реакции могут последовательно вызываться в трех видах каналов протекания, т.е. канале 41 протекания испарения, канале 42 протекания реакции риформинга и канале 43 протекания удаления оксида углерода, таким образом обеспечивая возможность выполнения всего реактора простым и компактным.
Кроме того, канал 76 протекания сгорания секции 10 сгорания и тонкопленочный нагреватель 11, которые представляют собой источники тепла, расположены в центральной части первых-третьих подложек 12-14, и канал 42 протекания реакции риформинга секции 8 риформинга, необходимая температура нагрева которой (примерно 250-320°С) является наивысшей, расположен в центральной части, и снаружи его расположен канал 43 протекания удаления оксида углерода секции 9 удаления оксида углерода, необходимая температура нагрева которой (примерно 160-220°С) меньше вышеупомянутой температуры, и далее снаружи его расположен канал 42 протекания испарения секции 7 испарения топлива для генерирования, необходимая температура нагрева которой (примерно 100-150°С) еще ниже, и прорези 56 регулируют передаваемое тепло, в результате чего может быть достигнут эффективный нагрев в канале 41 протекания испарения, канале 42 протекания реакции риформинга и канале 43 протекания удаления оксида углерода, для того чтобы реформировать топливо 68 для генерирования.
Ниже описаны секция 5 топливного элемента и зарядная секция 6. Секция 5 топливного элемента состоит из топливного элемента твердого макромолекулярного типа, как показано на фиг.8. Более конкретно, секция 5 топливного элемента имеет катод 61, образованный угольным электродом, к которому прилеплены катализаторы, такие как Pt и С, анод 62, образованный угольным электродом, к которому прилеплены катализаторы, такие как Pt, Ru и С. Ионопроводящая пленка 63 размещена между катодом 61 и анодом 62, таким образом подавая электрическую энергию на зарядную секцию 6, состоящую из вторичного элемента или конденсатора, предусмотренного между катодом 61 и анодом 62.
В этом случае снаружи катода 61 предусмотрена секция 64 полости. Водород и вода подаются в секцию 64 полости через секцию 66 разделения, и, таким образом, водород и вода достигают катода 61. Снаружи анода 62 предусмотрена другая секция 65 полости. Кислород, всасываемый из атмосферы при помощи микронасоса, подается в секцию 65 полости, и, таким образом, кислород подается на анод 62.
Ионы водорода (протон; Н+), в которых электроны (е-) отделены от водорода, создаются на стороне катода 61, как показано в следующем уравнении (4), и пропускаются на сторону анода 62 через ионопроводящую пленку 63, и затем катод 61 выводит электроны (е-), вызывая протекание тока:
С другой стороны, электроны (е-), подаваемые посредством зарядной секции 6, ионы водорода (Н+), которые прошли через ионопроводящую пленку 63, и кислород вызывают реакцию на стороне анода 62, таким образом получая побочную воду, как показано в следующем уравнении (5):
Последовательность электрохимических реакций, описанных выше (уравнения (4) и (5)), протекают в среде с относительно низкой температурой примерно от комнатной температуры до 80°С, и вода, в основном, представляет собой единственный побочный продукт за исключением электрической энергии. Электрическая энергия, генерируемая секцией 5 топливного элемента, подается на зарядную секцию 6, посредством чего зарядная секция 6 заряжается. Если вода в качестве побочного продукта, полученная секцией 5 топливного элемента, всасывается секцией 107 всасывания побочного продукта, то она, впоследствии, собирается секцией 109 сбора побочного продукта в модуле 102 хранения топлива, описанном ниже. Секция 107 всасывания побочного продукта по необходимости может подавать надлежащее количество всасываемой воды на секцию 8 риформинга и секцию 9 удаления оксида углерода.
В этом случае в химическом микрореакторе 4, имеющем вышеупомянутую конфигурацию, первые-третьи подложки 12-14, которые расположены слоями друг на друге, размещаются в первых и вторых внешних панелях 15 и 16, которые соединены друг с другом, что делает возможным сэкономить пространство и разработать размеры и форму самой системы 1 топливного элемента такими, чтобы они соответствовали размерам и форме универсальных гальванических элементов, таких как сухие гальванические элементы.
В вышеописанном варианте выполнения описан тот случай, которым он не ограничивается, когда тонкопленочный нагреватель 11 используется в качестве элемента источника тепла. Например, может быть применен другой вариант выполнения настоящего изобретения, показанный на фиг.9 и 10. На фиг.9 представлен поперечный разрез, аналогичный фиг.3, изображающий существенные элементы микрореактора в качестве другого варианта выполнения настоящего изобретения, и на фиг.10 представлен непрямой вид сверху элемента, соответствующего четвертой подложке 71.
В данном случае четвертая подложка 71 предусмотрена между первой подложкой 12 и второй подложкой 13. Тонкопленочный нагреватель не предусмотрен в центральной части поверхности второй подложки 13, противоположной четвертой подложке 71. Вместо этого выполнена канавка 67 канала протекания тепловой текучей среды в центральной части поверхности четвертой подложки 71, противоположной второй подложке 13. Канавка 67 канала протекания тепловой текучей среды и вторая подложка 13 соединены друг с другом, образуя канал 72 протекания тепловой текучей среды. Канал 72 протекания тепловой текучей среды предусмотрен меандрирующим образом, аналогично каналу 42 протекания реакции риформинга и каналу 76 протекания сгорания. Канал 73 протекания на стороне втекания предусмотрен в канавке 67 канала протекания тепловой текучей среды на стороне втекания канала 72 протекания тепловой текучей среды, и канал 74 протекания на стороне вытекания предусмотрен в канавке 67 канала протекания тепловой текучей среды на стороне вытекания.
Конец стороны втекания канала 73 протекания на стороне втекания расположен в таком положении, что он не перекрывает завершающий конец канала 41 протекания испарения, показанный на фиг.4, и соединен с одним концом трубочки подачи тепловой текучей среды, которая вставлена в круглое пропускающее отверстие, предусмотренное в заранее определенных частях первой внешней панели 15 и первой подложки 12, которая не показана на чертеже. Конец стороны вытекания канала 74 протекания на стороне вытекания расположен в таком положении, что он не перекрывает начальный конец канала 43 протекания удаления оксида углерода, показанный на фиг.4, и соединен с одним концом трубочки выпуска тепловой текучей среды, которая вставлена в круглое пропускающее отверстие, предусмотренное в других заранее определенных частях первой внешней панели 15 и первой подложки 12, которая не показана на чертеже.
Другой конец трубочки подачи тепловой текучей среды и другой конец трубочки выпуска тепловой текучей среды соединены с обоими концами цепи тепловой текучей среды, имеющей микронасос и нагреватель, предусмотренный снаружи химического микрореактора 4, который не показан на чертеже. Затем жидкость, такая как силиконовое масло, или газы, такие как водяной пар, воздух и азот, подаются в качестве тепловой текучей среды в канал 72 протекания тепловой текучей среды и канал 41 протекания испарения. Канал 42 протекания реакции риформинга и канал 43 протекания удаления оксида углерода нагреваются тепловой энергией, полученной от подаваемой тепловой текучей среды. Однако нагревание осуществляется в основном тепловой энергией, вырабатываемой сгоранием в результате реакции каталитического горения в канале 76 протекания сгорания секции 10 сгорания. Тепловая энергия от тепловой текучей среды используется для вторичного нагрева. Тепловая текучая среда по необходимости накапливает тепловую энергию секции 10 сгорания и циркулирует в канале 72 протекания тепловой текучей среды.
В описанном выше варианте выполнения канавки выполнены соответствующим образом в первой подложке 12 и третьей подложке 14, образуя каналы протекания, но как показано на фиг.11, канавка 57 канала протекания испарения, канавка 58 канала протекания реакции риформинга и канавка 59 канала протекания удаления оксида углерода, которые выполнены непрерывно на одной поверхности второй подложки 13, и первая подложка 12, которая закрывает эти канавки, могут составлять канал 41 протекания испарения секции 7 испарения топлива для генерирования, канал 42 протекания реакции риформинга секции 8 риформинга и канал 43 протекания удаления оксида углерода секции 9 удаления оксида углерода соответственно. Затем канавка 51 канала протекания испарения топлива для сгорания, канавка 52 канала протекания сгорания и канавка 53 канала протекания выпуска, которые выполнены непрерывно на другой поверхности второй подложки 13, и третья подложка 14, которая закрывает эти канавки, могут составлять канал 75 протекания испарения топлива для сгорания, канал 76 протекания сгорания и канал 77 протекания выпуска соответственно.
На фиг.11 представлен поперечный разрез по линии, аналогичной линии III-III на фиг.2, на котором не показаны трубочка 21 подачи топлива для генерирования, трубочка 23 подачи кислорода, трубочка 27 подачи топлива для сгорания, электроды 33 и канал 77 протекания выпуска. Второй подложкой 13 является кремниевая подложка с высокой обрабатываемостью и относительно высокой теплопроводностью, и первая подложка 12, и третья подложка 14, которые расположены на и под второй подложкой 13, выполнены из стекла, теплопроводность которого ниже теплопроводности кремниевой подложки, и, таким образом, канал 41 протекания испарения, канал 42 протекания реакции риформинга и канал 43 протекания удаления оксида углерода могут иметь конфигурацию, которую легко нагревать и которая может накапливать тепло, так что не является исключительно высоким тепловыделение наружу. Слой 44 катализатора риформинга и слой 45 катализатора избирательного окисления были образованы на трех поверхностях канавки, но могут быть образованы по меньшей мере на одной или более поверхностях.
В вышеописанных вариантах выполнения секция 9 удаления оксида углерода окисляет оксид углерода согласно уравнению (3), но может окислять его посредством реакции водной конверсии в соответствии со следующим уравнением (6), и канал 43 протекания удаления оксида углерода может быть предусмотрен с обеими частями, когда вызываются химические реакции по уравнениям (6) и (3):
Вода, которая вызывает водную конверсию оксида углерода, на левой стороне уравнения (6) содержится в секции 2 топлива для генерирования, и может быть использована вода, которая не прореагировала в уравнении (2), и также может быть использована вода, всасываемая секцией 107 всасывания побочного продукта из секции 5 топливного элемента. Так как в результате реакции по уравнению (6) получается водород, то может быть повышено количество водорода, подаваемого на секцию 5 топливного элемента, так что часть, которая вызывает реакцию по уравнению (6), предпочтительно, должна быть расположена ближе к стороне канала 42 протекания реакции риформинга, чем часть, которая вызывает реакцию по уравнению (3).
В вышеописанных вариантах выполнения прорези 56 выполнены непрерывно в первой подложке 12, второй подложке 13 и третьей подложке 14, но, для того чтобы повысить прочность, прорези, предусмотренные рядом друг с другом в первой подложке 12, второй подложке 13 и третьей подложке 14, должны быть смещены, чтобы они располагались так, чтобы не перекрывать друг друга.
На фиг.12 представлено перспективное изображение системы 1 топливного элемента с местным разрезом, содержащей компактный химический реактор и топливный элемент согласно настоящему изобретению.
Как показано на фиг.12, система 1 топливного элемента содержит модуль 102 хранения топлива, в котором хранится топливо 68 для генерирования, подлежащее реформированию, и топливо 69 для сгорания, подлежащее сгоранию, и модуль 103 генерирования энергии, который имеет встроенный химический микрореактор 4 для генерирования электричества, используя топливо 68 для генерирования, хранимое в модуле 102 хранения топлива. Химический микрореактор 4 имеет секцию 7 испарения топлива для генерирования, секцию 8 риформинга, секцию 9 удаления оксида углерода, секцию 10 сгорания, секцию 11 тонкопленочного нагревателя, первый микронасос 46 и второй микронасос 47.
Модуль 102 хранения топлива имеет, по существу, цилиндрический корпус 104. Корпус 104 может быть присоединен с возможностью отсоединения к модулю 103 генерирования энергии. Круглое сквозное отверстие 105 выполнено в головной верхней части корпуса 104, и первая сливная трубка 106, которая выполнена с возможностью протекания побочной воды, полученной модулем 103 генерирования энергии, образована во внутренней части внешней периферии корпуса 104. Секция 109 сбора побочного продукта, в которой хранится вода, подлежащая сливу, расположена в нижней части модуля 102 хранения топлива. Секция 109 сбора побочного продукта подсоединена к первой сливной трубке 106.
Топливный блок 108 размещен с возможностью отсоединения внутри корпуса 104, и часть внешней периферийной поверхности топливного блока 108 выступает наружу из корпуса 104. Топливный блок 108 дополнительно имеет секцию 2 топлива для генерирования, в которой герметизировано топливо 68 для генерирования, и секцию 3 топлива для сгорания, в которой герметизировано топливо 69 для сгорания. Топливный блок 108 представляет собой прозрачный или полупрозрачный колоннообразный элемент, имеющий внутреннюю полость, и выполнен из биоразлагаемого бактериями материала или т.п. Так как часть топливного блока 108 открыта, и топливный блок 108 является прозрачным или полупрозрачным, то можно легко проверить присутствие и оставшееся количество топлива 68 для генерирования и топлива 69 для сгорания внутри через стенки топливного блока 108.
Топливо 68 для генерирования представляет собой смесь жидкого химического топлива и воды, и спирты, такие как метанол и этанол, или соединения углерода, содержащие водородный элемент, например, простые эфиры, такие как диэтиловый эфир, и бензин могут использоваться в качестве химического топлива. В настоящем варианте выполнения смесь, в которой смешиваются метанол и вода, используется в качестве топлива 68 для генерирования.
Топливо 69 для сгорания представляет собой жидкое химическое топливо, и спирты, такие как метанол и этанол, или соединения углерода, содержащие водородный элемент, например, простые эфиры, такие как диэтиловый эфир, и бензин могут использоваться в качестве химического топлива. В настоящем варианте выполнения метанол с высокой концентрацией используется в качестве топлива 69 для сгорания.
Разделительная перегородка 111, которая отделяет топливо 68 для генерирования от топлива 69 для сгорания, расположена внутри топливного блока 108. Проход 110 подачи для подачи топлива 68 для генерирования и топлива 69 для сгорания на модуль 103 генерирования энергии предусмотрен в головной верхней части топливного блока 108 так, что он выступает для ввода в сквозное отверстие 105 корпуса 104.
Трубка 112 подачи, проходящая по направлениям вверх и вниз на фиг.12 для ввода в проход 110 подачи, расположена внутри топливного блока 108. Трубка 112 подачи проходит от дна топливного блока 108 до кромки прохода 110 подачи. Так как трубка 112 подачи разделена на малые части разделительной перегородкой 111, топливо 68 для генерирования между трубкой 112 подачи и разделительной перегородкой 111 перемещается вверх под действием капиллярного эффекта и доходит до первого микронасоса 46. Топливо 69 для сгорания между трубкой 112 подачи и разделительной перегородкой 111 перемещается вверх под действием капиллярного эффекта и доходит до второго микронасоса 47.
Герметизирующая пленка расположена внутри прохода 110 подачи, которая закрывает весь проход 110 подачи, так что не происходит утечка топлива 68 для генерирования и топлива 69 для сгорания в положении, когда не вставлены ниппельные части 137, 138 всасывания модуля 103 генерирования энергии, но ниппельные части 137, 138 всасывания модуля 103 генерирования энергии вставлены в проход 110 подачи, чтобы разорвать герметизирующую пленку, и ниппельные части 137, 138 всасывания сообщаются с топливным блоком 108, так что они могут всасывать топливо 68 для генерирования и топливо 69 для сгорания соответственно.
Модуль 103 генерирования энергии включает по существу цилиндрический корпус 130. Химический микрореактор 4 расположен внутри корпуса 130. Секция 5 топливного элемента расположена на периферии микрореактора 4 и на внешней периферийной стороне корпуса 130. Секция 135 всасывания побочного продукта всасывает часть побочного продукта, полученного секцией 5 топливного элемента, и подает его по необходимости в химический микрореактор 4. Секция 20 схемы управления электрически управляет вышеупомянутыми элементами.
Множество прорезей 131 для подачи кислорода воздуха снаружи модуля 103 генерирования энергии, который необходим для генерирования энергии секцией 5 топливного элемента, на секцию 5 топливного элемента выполнено в положении, размещенном параллельно друг другу снаружи секции 5 топливного элемента и на внешней периферийной поверхности корпуса 130.
Вывод 132 для подачи электрической энергии, генерируемой секцией 5 топливного элемента, на внешнее устройство выполнен на головной верхней части корпуса 130. Множество вентиляционных отверстий 133 для всасывания кислорода, необходимого для сгорания в секции 10 сгорания микрореактора 4 топлива 69 для сгорания, а также кислорода, необходимого для окисления секцией 9 удаления оксида углерода оксида углерода, и для выпуска диоксида углерода, полученного посредством химического микрореактора 4, выполнено на периферии вывода 132 и на головной верхней части корпуса 130.
Вторая сливная трубка 134 предусмотрена на внешней периферийной стороне корпуса 130. Вторая сливная трубка 134 имеет выпуклую форму, кромка которой выступает вниз из дна корпуса 130, и выпуклая часть может быть установлена в соответствующую вогнутую часть в первой сливной трубке 106 модуля 102 хранения топлива. Вторая сливная трубка 134 представляет собой трубку, позволяющую производить распределение побочной воды, полученной секцией 5 топливного элемента. Побочная вода выпускается в секцию 135 всасывания побочного продукта через вторую сливную трубку 134 и первую сливную трубку 106.
Вторая сливная трубка 134 соединена с секцией 135 всасывания побочного продукта. Трубка 136 ввода воды, предусмотренная в корпусе 130, проходит ко второй сливной трубке 134 через секцию 135 всасывания побочного продукта. Секция 135 всасывания побочного продукта функционирует в качестве насоса, который вводит, по необходимости, побочную воду, полученную секцией 5 топливного элемента, в химический микрореактор 4, и подает надлежащее количество воды, предназначенное для химического микрореактора 4, в трубку 136 ввода воды и затем выпускает избыточную воду во вторую сливную трубку 134. Секции, требующие воду в химическом микрореакторе 4, включают секцию 8 риформинга, которая вызывает реакцию риформинга по уравнению (2), и секцию 9 удаления оксида углерода, которая вызывает реакцию водной конверсии по уравнению (6). Химический микрореактор 4 повторно использует воду, полученную, таким образом, в системе 1 топливного элемента, таким образом обеспечивая возможность повышения концентрации химического топлива за исключением воды, содержащейся в топливе 68 для генерирования в секции 2 топлива для генерирования топливного блока 108, и увеличения количества полученного водорода на единичный объем топлива, и также повышения отдачи секции 5 топливного элемента на единичный объем топлива.
В модуле 102 хранения топлива и модуле 103 генерирования энергии, как описано выше, когда модуль 102 хранения топлива, хранящий топливный блок 108, присоединен к модулю 103 генерирования энергии, вторая сливная трубка 134 модуля 103 генерирования энергии соединена с первой сливной трубкой 106 модуля 102 хранения топлива на внешней периферийной стороне области, где соединены модули 102, 103. Таким образом, вторая сливная трубка 134 сообщается с первой сливной трубкой 106, таким образом обеспечивая возможность протекания побочной воды, полученной модулем 103 генерирования энергии, от второй сливной трубки 134 в первую сливную трубку, подлежащей выпуску в секцию 135 всасывания побочного продукта.
Топливом, применяемым в топливном элементе типа риформинга топлива, находящимся в настоящее время в исследовании и разработке, может быть топливо, которое представляет собой по меньшей мере жидкое топливо или ожиженное топливо, или газообразное топливо, содержащее водородные элементы, и из которого может быть сгенерирована электрическая энергия секцией 5 топливного элемента с относительно высокой эффективностью преобразования энергии, и текучие топлива, которые могут быть удовлетворительно применены, включают спиртосодержащие жидкие топлива, такие как этанол и бутанол в дополнение к метанолу, жидкие топлива, полученные из углеводородов, которые испаряются при обычной температуре и при атмосферном давлении, например сжиженные газы, такие как диметиловый эфир, изобутан и природный газ (сжиженный природный газ), или газообразное топливо, такое как газообразный водород.
Как описано выше, в соответствии с настоящим изобретением каналы протекания выполнены внутри структуры каналов протекания, и каналы протекания состоят из множества непрерывных частей, в которых происходят различные химические реакции, так что множество химических реакций могут непрерывно и эффективно вызываться в каналах протекания многочисленных видов, и весь реактор может быть выполнен простым и компактным.
1. Химический реактор, содержащий первую нагреваемую секцию, которая имеет первый канал протекания и вызывает первую реакцию в первом канале протекания, нагревательную секцию, которая нагревает первую нагреваемую секцию, и вторую нагреваемую секцию, которая имеет второй канал протекания и вызывает вторую реакцию или испарение во втором канале протекания посредством тепла нагревательной секции, передаваемого через первую нагреваемую секцию, при этом первая нагреваемая секция и вторая нагреваемая секция образованы на подложке.
2. Реактор по п.1, в котором первая реакция и вторая реакция или испарение являются различными.
3. Реактор по п.1, в котором вторая реакция или испарение вызываются при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается первая реакция.
4. Реактор по п.1, в котором первый канал протекания и второй канал протекания соединены.
5. Реактор по п.1, в котором вторая нагреваемая секция имеет секцию испарения, в которой испаряется топливо для генерирования, и первая нагреваемая секция является секцией реакции риформинга, в которой реформируется испаренное топливо для генерирования.
6. Реактор по п.1, в котором первая нагреваемая секция является секцией реакции риформинга, в которой реформируется топливо для генерирования, и вторая нагреваемая секция является секцией удаления оксида углерода, в которой удаляется оксид углерода, полученный в первой нагреваемой секции.
7. Реактор по п.1, в котором тепло нагревательной секции передается от первой нагреваемой секции на вторую нагреваемую секцию через подложку.
8. Реактор по п.1, в котором расстояние между первым каналом протекания и нагревательной секцией меньше расстояния между вторым каналом протекания и нагревательной секцией.
9. Реактор по п.1, в котором второй канал протекания расположен на периферии первого канала протекания.
10. Реактор по п.1, дополнительно содержащий другую подложку, на которой выполнены канавки, образующие первый канал протекания и второй канал протекания.
11. Реактор по п.1, в котором первая нагреваемая секция и вторая нагреваемая секция представляют собой микрореакторы.
12. Реактор по п.1, дополнительно содержащий секцию термометра, в которой измеряется температура нагревательной секции.
13. Реактор по п.12, дополнительно содержащий секцию схемы управления, которая вызывает вырабатывание тепла нагревательной секцией на основе информации о температуре секции термометра.
14. Реактор по п.1, в котором нагревательная секция имеет секцию сгорания, которая обеспечивает нагрев в результате реакции сгорания.
15. Реактор по п.14, в котором посредством реакции сгорания нагревается первая нагреваемая секция через подложку.
16. Реактор по п.1, в котором нагревательная секция имеет резистивный элемент.
17. Реактор по п.1, в котором только вторая реакция во втором канале протекания вызывается второй нагреваемой секцией, при этом реактор дополнительно содержит третью нагреваемую секцию, которая имеет третий канал протекания, и вызывает испарение в третьем канале протекания посредством тепла нагревательной секции, передаваемого через вторую нагреваемую секцию.
18. Реактор по п.17, в котором испарение в третьей нагреваемой секции вызывается при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается первая реакция.
19. Реактор по п.17, в котором испарение в третьей нагреваемой секции вызывается при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается вторая реакция.
20. Реактор по п.17, в котором третий канал протекания и первый канал протекания соединены.
21. Реактор по п.17, в котором первая нагреваемая секция является секцией реакции риформинга, в которой реформирует испаренное топливо для генерирования, и вторая нагреваемая секция является секцией удаления оксида углерода, в которой удаляется оксид углерода, полученный в первой нагреваемой секции.
22. Реактор по п.17, который содержит подложку, на которой образованы первая нагреваемая секция, вторая нагреваемая секция и третья нагреваемая секция.
23. Реактор по п.22, в котором тепло нагревательной секции передается от первой нагреваемой секции на вторую нагреваемую секцию через подложку и дополнительно передается от второй нагреваемой секции на третью нагреваемую секцию через подложку.
24. Реактор по п.17, в котором расстояние между вторым каналом протекания и нагревательной секцией меньше расстояния между третьим каналом протекания и нагревательной секцией.
25. Реактор по п.17, в котором третий канал протекания расположен на периферии второго канала протекания.
26. Химический реактор, содержащий множество подложек, включающих первую и вторую подложки, расположенные слоями одна на другой, первую нагреваемую секцию, которая имеет первый канал протекания между первой подложкой и второй подложкой и вызывает первую реакцию в первом канале протекания, нагревательную секцию, которая обеспечивает нагревание первой нагреваемой секции, и вторую нагреваемую секцию, которая имеет второй канал протекания между первой подложкой и второй подложкой или между второй подложкой и другой подложкой, расположенной рядом со второй подложкой, и вызывает вторую реакцию или испарение во втором канале протекания при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается первая реакция посредством нагревательной секции.
27. Система топливного элемента, содержащая химический реактор, который содержит, по меньшей мере, две подложки, расположенные слоями одна на другой, первую нагреваемую секцию, которая имеет первый канал протекания между подложками и вызывает первую реакцию в первом канале протекания, нагревательную секцию, которая обеспечивает нагревание первой нагреваемой секции, и вторую нагреваемую секцию, которая имеет второй канал протекания между подложками и вызывает вторую реакцию или испарение во втором канале протекания при температуре, которая ниже температуры, при которой вызывается первая реакция, посредством нагревательной секции, и топливный элемент, который генерирует электричество посредством использования топлива, реформированного химическим реактором.
