可扩展化学反应器及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及(电)化学反应器的领域、及其操作方法。特别地，它旨在被设计用于使能在k种化学流体间的N个配对(pairwise)流体接触的可扩展化学反应器，其中k多2且N多4，具有到光伏装置和微电子封装的可能应用。
【背景技术】
[0002]微尺度反应器为已知的，其提供热和质量(mass)转移的高速率。常规的微制造工艺为已知的，从而廉价的大规模生产是当前可得的。此外，归因于已知的技术，可以实现良好控制的层流流动。
[0003]在2002年首次报道微流体电化学能量转化的论证(见例如，Ferrigno等人，Journal of the American Chemical Society 124，12930-1 (2002) ；Choban 等人，PowerSources Proceedings 40，317-320(2002))。
[0004]在该领域或邻近领域中已经提交若干专利(申请)，其示出了【背景技术】，例如:US7758814 B2 ；US 2012 0070766 Al ；US 7651797 B2 ；US 7435503 B2 ；W0 2010 083219 Al ；CA 2354513 C ；US 2009/0291347 Al 以及 US 7909971 B2。该列表并不是穷尽的。一些论文在非专利文献中可得到的(未提及)。
【发明内容】
[0005]根据第一方面，本发明被实现化学反应器，所述化学反应器被设计用于使能在k种化学流体间的N个配对流体接触，其中k多2且N多4，所述反应器包括:
[0006]-基本上在通过优选垂直的两个方向限定的2D平面中延伸的反应层，所述反应层包括N个化学基元，每个包括两个回路部分，所述两个回路部分被设计用于分别使能所述k种化学流体中的两种的流通，所述两个回路部分进一步彼此相交，从而使能所述k化学流体中的所述两种的一个配对流体接触；
[0007]-流体分配回路，包括:
[0008]入口孔的k个集合，沿平行于所述两个方向(x，y)中的一个(y)的线依次交替，用于分别分配k种化学流体到所述反应层；以及
[0009]出口孔的k个集合，沿平行于所述入口孔的线依次交替，用于分别收集来自所述反应层的k种化学流体，所述出口孔关于所述入口孔沿所述两个方向中的所述一个(y)移动，
[0010]以及其中，
[0011]每个回路部分经由其各自的端部而将入口孔连接到出口孔。
[0012]在实施例中，上述的化学反应器进一步包含一个或多个的下面的特征:
[0013]-每个所述孔接合四个回路部分的端部，所述四个回路部分中的每个属于不同的化学基元，所述不同的化学基元在所述反应平面中邻近；
[0014]-所述反应层和所述流体分配回路形成2D周期性阵列，所述阵列的单元基元在所述2D平面中通过沿所述两个方向中的一个或每个的平移而周期性重复；
[0015]-k = 2 ;所述孔中的每个接合属于不同的化学基元的四个回路部分的端部，所述不同的化学基元在所述反应平面中邻近；并且每个单元基元包含:
[0016]O四个化学基元；
[0017]O八个回路部分；
[0018]O两个入口孔；以及
[0019]O两个出口孔；
[0020]-其中，所述流体分配回路至少包括第一歧管(Ml)，后者包括若干平行通道，每个垂直于所述两个方向中的所述一个并且与入口孔的所述k个集合中的一个或出口孔的所述k个集合中的一个的孔流体连通；
[0021]-所述流体分配回路进一步包括一个或多个附加歧管，第η附加歧管(M2)包括若干平行通道，每个通道关于第(η-1)歧管(Ml)的通道旋转，并且与第(η-1)歧管的通道流体连通；
[0022]-通过两个叠加的层形成歧管，所述两个叠加的层的第一个包含作为通孔的孔，并且所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道；
[0023]-所述出口孔以小于沿所述两个方向中的所述一个的两个邻近入口孔之间的距离的距离而移动，并且优选地，移动两个邻近入口孔之间的所述距离的一半；以及
[0024]-所述反应器为电化学反应器，并且其中每个连接相同的入口孔到相同的出口孔的两个回路部分通过在所述反应器中作为电极耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个邻近的两个化学基元共享所述电极。
[0025]根据另一方面，本发明实现为光伏装置，诸如:光伏基元；光伏模块；或包含光伏基元的阵列或光伏模块的阵列的光伏系统；所述光伏装置包含:
[0026]-电气连接到光伏电极的集合的至少一个光伏表面；以及
[0027]-根据上述实施例中的任何一个的化学反应器，电气连接到光伏电极的所述集合。
[0028]根据另一方面，本发明实现为操作根据所述先前实施例中的任何一个的设备的方法，所述方法包含:通过下列方式使能N个配对流体接触:
[0029]经由入口孔的k个集合，分配k种化学流体到所述反应层，其中k多2，以便，在每个所述N个化学基元中，所述k种化学流体中的两种在两个各自的回路部分中流通，形成接触并由此使能化学反应；以及
[0030]经由出口孔的k个集合收集来自所述反应层的k种化学流体。
[0031]优选地，所述反应器为诸如上文限定的电化学反应器，并且所述方法进一步包括:分别向电极分配电荷或从电极收集电荷，其中所述电极中的每个分开每个都连接相同的入口孔到相同的出口孔的两个回路部分，从而所述电极中的每个通过沿所述两个方向中的所述一个邻近的两个化学基元共享。
[0032]将通过非限制性实例的方式并参考附图描述本发明实现的设备、装置以及方法。
【附图说明】
[0033]-图1为在根据实施例的化学反应器中使用的化学基元的实例的简化表示的2D视图；
[0034]-图2为根据实施例的化学反应器的反应层的简化表示的2D视图，其中，反应层包含如在图1中示出的若干化学基元；
[0035]-图3为根据实施例的与图2的反应层兼容的化学反应器的流体分配回路的第一歧管的简化表示的2D视图；
[0036]-图4为如在实施例中叠加到图2的反应层的视图的图3的第一歧管的2D视图；
[0037]-图5为根据实施例与图3或4的第一歧管兼容的化学反应器的流体分配回路的第二歧管的简化表示的2D视图；
[0038]-图6为叠加到图3的视图的图5的第二歧管的2D视图；
[0039]-图7为如在实施例中一样的叠加到图4的视图的图5的第二歧管的2D视图；
[0040]-图8为沿图2的线(平面)PP获得的截面视图(简化表示)；
[0041]-图9为包含诸如在图1-8中示出的元件并且根据实施例的化学反应器的3D视图；
[0042]-图10示出根据实施例包含光伏模块的阵列和化学反应器的光伏装置；
[0043]-图11为示出操作根据实施例的设备的方法的步骤的流程图；以及
[0044]-图12A-C示出根据实施例用于诸如在图2中示出的反应层并在电化学反应器中使用的三个不同的电极布线配置。
【具体实施方式】
[0045]下述描述如下安排。首先，描述一般实施例和高级变体(部分I)。下一部分解决更具体的实施例和技术实现细节(部分2)。
[0046]1.一般实施例和高级变体
[0047]通常参考图1到10，首先描述本发明的一方面，其涉及化学反应器。将该反应器CR设计用于使能在k种化学流体中的N个配对流体接触。为了简化，在附图中对于k = 2种流体示出本发明暗含的几何概念。然而，最通常概念对于k多2是有效的，如在从下文描述中显而易见的。
[0048]反应器主要包含反应层RP和流体分配回路Ml、M2，现在将进行描述。
[0049]首先，如在图2中所示，反应层RP基本上在2D平面中(即，通过典型地垂直的两个方向x、y限定，如在图2中所述见)延伸。该反应层包含若干化学基元CC。反应层RP也被称为“转换平面”、“转换层”等。
[0050]在图1中示出化学基元的实例。该基元包括两个回路部分CP1、CP2(回路部分通过参考符号CP通用表示)。将这些回路部分的每个设计用于流通化学流体A、B，以便一个化学基元的两个部分分别使能k种化学流体中的两种的流通(即，两个部分中的每个使能k种化学流体中的一个的流通)。如在图1中进一步所见，回路部分CP1、CP2彼此相交，这导致一个配对流体接触(针对两种流体A、B)。在相对大的重叠区域之上，回路部分典型地彼此相交。为了该目的，它们具有破碎的形状(broken shape)或是弯曲的(或具有任何其它适于的形状)，如在图1中所示。
[0051]第二，流体分配回路主要包括入口孔和出口孔的集合，这些孔在图1-4和8-9中每个中可见。
[0052]更精确地，流体分配回路包含入口孔的k个集合(k彡2)，即集合和流体一样多。如在图2中所见(其中k = 2)，孔IA、IB沿平行于方向y的线依次交替。更详细地，将入口孔IA、IB沿平行于方向y的线设置，并且沿这些线中的每个，入口孔依次交替以形成诸如IB-1A-1B-…的序列。入口孔允许用于分配化学流体(例如，两种化学流体A、B)中的每个到反应层RP。更通常地，入口孔的k个集合允许用于分别分配k种化学流体。
[0053]类似地，流体分配回路进一步包含出口孔OA’、OB’的k个集合，出口孔沿(严格)平行于入口孔(因此也平行于相同的方向y)的线依次交替。这导致序列OB’ -0A’ -OB’ -…沿垂直方向y平行于序列IB-1A-1B-…。出口孔意味着从反应层分别收集k种化学流体。如在图1(或2)中所示，每个回路部分CP1、CP2经由其各自的端部而连接入口孔(I