一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器的制作方法

本发明涉及重整制氢微反应器，尤其涉及一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器。

背景技术：

传统的重整制氢微反应器的反应效率较低。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种效率较高的基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器。

本发明提供了一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器，包括采用低温共烧陶瓷制备的三维陶瓷主体，所述三维陶瓷主体内封装有第一蒸发器、第二蒸发器、第一混合器、重整器、脱硫器、水煤气变换反应器、部分氧化反应器和加热系统，所述第一蒸发器、第二蒸发器的输出口分别与所述第一混合器的输入口连接，所述第一混合器的输出口与所述重整器的输入口连接，所述重整器的输出口与所述脱硫器的输入口连接，所述脱硫器的输出羰与所述水煤气变换反应器的输入口连接，所述水煤气变换反应器的输出口与所述部分氧化反应器的输入口连接。

作为本发明的进一步改进，所述三维陶瓷主体上设有第一燃料入口和水入口，所述第一燃料入口与所述第一蒸发器的输入口连接，所述水入口与所述第二蒸发器的输入口连接。

作为本发明的进一步改进，所述第二蒸发器的输出口与所述水煤气变换反应器的输入口连接。

作为本发明的进一步改进，所述三维陶瓷主体上设有第一空气入口，所述第一空气入口与所述部分氧化反应器的输入口连接。

作为本发明的进一步改进，所述加热系统均布在所述三维陶瓷主体上。

作为本发明的进一步改进，所述加热系统包括第三蒸发器、第二混合器和燃烧器，所述第三蒸发器的输出口与所述第二混合器的输入口连接，所述第二混合器的输出口与所述燃烧器的输入口连接。

作为本发明的进一步改进，所述三维陶瓷主体上设有第二燃料入口和第二空气入口，所述第二燃料入口与所述第三蒸发器的输入口连接，所述第二空气入口与所述第二混合器的输入口连接。

作为本发明的进一步改进，所述三维陶瓷主体上设有用于温度控制的温度传感器和用于控制射流的陶瓷压力传感器。

本发明的有益效果是：提高了反应效率，具有较高的表面积-体积比、较高的反应速率和传质传热特性。

附图说明

图1是本发明一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器的示意图。

图2是本发明一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器的布局示意图。

图3是本发明一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器的陶瓷压力传感器的布局示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器（简称微反应器），包括采用低温共烧陶瓷制备的三维陶瓷主体，所述三维陶瓷主体内封装有第一蒸发器1、第二蒸发器2、第一混合器3、重整器4、脱硫器5、水煤气变换反应器（wgs）6、部分氧化反应器（prox）7和加热系统，所述第一蒸发器1、第二蒸发器2的输出口分别与所述第一混合器3的输入口连接，所述第一混合器3的输出口与所述重整器4的输入口连接，所述重整器4的输出口与所述脱硫器5的输入口连接，所述脱硫器5的输出羰与所述水煤气变换反应器6的输入口连接，所述水煤气变换反应器6的输出口与所述部分氧化反应器7的输入口连接，部分氧化反应器7为分别用水和氧气通过化学反应从气体混合物中除去一氧化碳。

如图1至图3所示，所述三维陶瓷主体上设有第一燃料入口和水入口，所述第一燃料入口与所述第一蒸发器2的输入口连接，所述水入口与所述第二蒸发器3的输入口连接。

如图1至图3所示，所述第二蒸发器3的输出口与所述水煤气变换反应器6的输入口连接。

如图1至图3所示，所述三维陶瓷主体上设有第一空气入口，所述第一空气入口与所述部分氧化反应器7的输入口连接。

如图1至图3所示，所述加热系统均布在所述三维陶瓷主体上。

如图1至图3所示，所述加热系统包括第三蒸发器8、第二混合器9和燃烧器10，所述第三蒸发器8的输出口与所述第二混合器9的输入口连接，所述第二混合器9的输出口与所述燃烧器10的输入口连接。

如图1至图3所示，所述三维陶瓷主体上设有第二燃料入口和第二空气入口，所述第二燃料入口与所述第三蒸发器8的输入口连接，所述第二空气入口与所述第二混合器9的输入口连接。

如图1至图3所示，所述三维陶瓷主体上设有用于温度控制的温度传感器和用于控制射流的陶瓷压力传感器12。

本发明提供的一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器，用于燃料处理系统中，在该系统中，将液体燃料转换成供便携式聚合物电解质膜燃料电池（pem，也称质子交换膜电池）使用的（纯）氢气。ltcc技术可保证机械稳定性及化学稳定性，并通过适当的设计保证系统的热稳定性。

微反应器是作为一个emrc系统实现的（emrc全称是evaporator，mixer，reformerandcombustor,即是蒸发器、混合器、重整器和燃烧器）。如图2所示，重整制氢微反应器包括六个进出口、电触点、功能区11和垂直排气道。重整制氢微反应器的液体反应物是燃料和水。液体燃料/甲醇通过入口1进入系统，液体水通过入口进入，然后两个反应物蒸发并混合在一起，再然后蒸汽流经重整制氢器的微通道，并在哪发生催化化学反应。由此产生的气体通过出口出来。还有一个服务入口/出口，作为中控点，用于催化剂在制备过程中沉淀。

启动过程的四个加热器和六个用于温度控制的温度传感器分别位于两级系统中。该系统还包括四个用于控制射流的压力传感器(pressuresensor)。系统的另一个重要的部分是燃烧器，它为化学反应提供热能。温度在3d结构中的分布根据八个微型燃烧器的位置及在陶瓷结构中许多隔热腔的集成来实现。这种热管理能够保证系统所需的垂直温度分布和功能区内相对均匀的温度分布（见图2），同时，系统外围温度相对来说较低。

本发明提供的一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器，其组件特点如下：

1、蒸发和混合系统

所有蒸发器的要求是甲醇流量为50ml/h，水流量与此相等，工作温度超过100℃。混合器的关键功能是有效地混合反应物，而不会显著降低反应物的流速和温度。

液体燃料和液态水通过弯曲形成的两个通道进入系统，以延长其长度。燃料蒸发器（第一蒸发器1）和水蒸发器（第二蒸发器2）位于系统的功能区。在两个蒸发器中，设计通道的三维网格用来防止液体的脉动，类似的结构用于反应物的混合，这样可以使蒸汽混合得更好。

2、重整器4

在重整器4中，在所需流速和300℃左右的温度下进行催化化学反应是必要的。重整器4由涂敷催化剂的微通道组成。该ltcc结构的重整器由108个微通道组成，共6层，总长度为3.5米。矩形截面的尺寸是500×200µm。这些微通道位于系统的功能区，按照并联和串联方式相联。这些微通道是分布腔与一侧的入口相连、收集腔及另一侧的出口相连的。

3、燃烧器10

燃烧器10的主要用途是为整个系统提供热能。燃烧室10由燃料和空气两个入口、燃料蒸发器、空气/燃料混合器、八个微型燃烧器和排气系统等组成。燃料在系统功能区内的微通道内蒸发，通过几个t型混合器与空气混合。空气和燃料的混合物尽可能均衡地分布在八个对称分布的微型燃烧器上。微燃烧器设计成12×4.5×0.65mm3尺寸的腔体。加速和有助于燃烧的催化剂，沉淀在空腔的底部，空气和燃料的混合物从微燃烧器的一侧进入，在另一边，气体通过排气垂直通道排出。

4、压力传感器

四个陶瓷压力传感器12（压阻式）集成到陶瓷结构中用来进行压力监测（如图3所示），所有这四个压力传感器都可测量0～100kpa范围内的相对压力。厚膜压阻式压力传感器是基于厚膜电阻的压阻特性，厚膜电阻是通过丝网印刷工艺形成的。压阻式传感器有四个厚膜电阻，每个尺寸为1.0×1.0mm，每个电阻器作为一个应变计，在惠斯通电桥配置中连接。

本发明提供的一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器，先开发和测试单个独立的组件，再优化它们并满足集成emrc系统的要求。最后再组装集成。

在微反应器的低温共烧陶瓷结构是由48层ltcc生瓷带。该结构的尺寸是76×42×10mm3，重量约75克。这个陶瓷结构的中心部分是一个功能区。它包括两个入口通道（燃料和水）、两个蒸发室、一个混合室、一个由涂有催化剂的3.5m通道组成的重整器和一个燃烧器（1个空气/燃料混合器、8个微型燃烧器和1个排气系统）。在该结构中，集成了4个铂基电加热器和6个铂基温度传感器。在功能区11之外，有4个陶瓷压力传感器12，6个进/出管，以及传感器和加热器的电接点。

将多个不同类型、不同性能的无源元件集成在一个封装内有多种方法，主要有低温共烧陶瓷(ltcc)技术、薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术等。低温共烧陶瓷普遍应用于多层芯片线路模块化设计中，它除了在成本和集成封装方面的优势外，在布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计的多样性及优良的高频性能等方面有更广阔的发展前景。厚膜技术是集电子材料、多层布线技术、表面微组装及平面集成技术于一体的微电子技术。在满足大部分电子封装和互连要求方面，厚膜技术已历史悠久。低温共烧陶瓷在烧结前（也称为生瓷带），材料柔软，灵活，易于处理和机械成型。大量的层通过层叠形成高密度的互连及三维结构，易于实现更多布线层数和内埋置元器件，提高组装密度。独立层是细观特征的机械成型（0.1-15毫米），厚膜层是丝网印刷，所有的层通过热压层叠在一起。该层压结构是一步法工艺在较低温度下（850-900°c）（低温共烧）烧结形成的一个刚性单片陶瓷多层电路（模块）。

本发明提供的一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器，又称便携式聚合物电解质膜燃料电池（pem，也称质子交换膜电池）制氢微反应器，该微反应器是基于液体燃料（如醇类）水蒸汽重整制氢，低温共烧陶瓷技术用于制作具有埋腔体和微通道的三维陶瓷主体，厚膜技术被用来制造电加热器、温度传感器和压力传感器，最终的三维陶瓷主体由48层ltcc生瓷带构成。该陶瓷结构的尺寸是76×42×10毫米，重量约75克。低温共烧陶瓷技术与厚膜技术相结合非常适用于化学微反应器的制备,采用低温共烧陶瓷技术可以制备出相对复杂的三维陶瓷结构。

本发明提供的一种基于低温共烧陶瓷应用的重整制氢微反应器，采用液体燃料和水蒸汽重整制氢，可用于低温燃料电池。微反应器的设计采用低温共烧陶瓷技术，低温共烧陶瓷技术用于制作具有埋腔体和微通道的陶瓷结构，包括两个蒸发器（燃料和水），两个混合室、重整器4和燃烧器10。陶瓷压力传感器12、铂基加热器和铂基温度传感器也被集成到结构中。制氢反应器是典型的化学反应器，其化学稳定性、热稳定性和机械稳定性是重要的评估因素。微反应器（尺寸在毫米和微米范围内）与大的传统反应器相比，具有较高的表面积-体积比、较高的反应速率和传质传热特性。因此，低温共烧陶瓷技术和厚膜技术相结合很适用于陶瓷化学微反应器的制备。

采用低温共烧陶瓷技术可以制备出相对复杂的三维陶瓷主体。与硅基微系统相比，低温共烧陶瓷基微系统体积更大，更稳健，并在更宽的工作温度范围内工作。本发明设计的陶瓷微反应器比硅基微反应器体积稍大，因此它们适用的燃料电池功率范围也更广(可在50～300w范围内)。同时与金属和硅材料相比较,陶瓷材料同时也是十分优良的制氢重整反应催化剂的载体，所以应用低温共烧陶瓷技术来设计制氢微反应器结构在产氢速率及效率方面具有明显优势。与其它集成技术相比，低温共烧陶瓷技术优势小结如下：

①陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性；

②易于实现更多布线层数，提高组装密度；

③易于形成多种结构的空腔和内埋置元器件，实现多功能；

④便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本；

⑤与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件；

⑥易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。