CN104685687B

CN104685687B - 可扩展化学反应器及其操作方法

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Publication number: CN104685687B
Application number: CN201380050281.5A
Authority: CN
Inventors: W·埃舍尔; P·鲁赫
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: GB201217327D0; DE112013004182T5; US10066306B2; WO2014049463A1; JP6080958B2; US10508347B2; GB2506393A; GB2522802B; CN104685687A; US20150259812A1; GB201506481D0; DE112013004182B4; GB2522802A; US20180320280A1; JP2015533102A

Abstract

公开了一种化学反应器(CR)、相关的装置及其操作方法。所述化学反应器被设计为使能在k种化学流体间的N个配对流体接触，其中k>2且N>4，所述反应器包括：反应层(RP)，基本上在通过优选垂直的两个方向(x，y)所限定的2D平面中延伸；以及包括N个化学基元(CC)，每个包括两个回路部分(CP1、CP2、CP)，所述两个回路部分被设计为分别使能所述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，从而使能用于所述k种化学流体中的所述两种的一个配对流体接触；流体分配回路(M1、M2)，包括：入口孔(IA、IB)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；以及出口孔(OA’、OB’)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，以及其中，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。

Description

可扩展化学反应器及其操作方法

技术领域

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≥2且N≥4，具有到光伏装置和微电子封装的可能应用。

背景技术

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。

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))。

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 A1；US 7651797 B2；US 7435503 B2；WO 2010 083219 A1；CA 2354513 C；US 2009/0291347 A1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

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≥2且N≥4，所述反应器包括：

-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；

-流体分配回路，包括：

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

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，

以及其中，

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。

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：

-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；

-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；

-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：

o四个化学基元；

o八个回路部分；

o两个入口孔；以及

o两个出口孔；

-其中，所述流体分配回路至少包括第一歧管(M1)，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；

-所述流体分配回路进一步包括一个或多个附加歧管，第n附加歧管(M2)包括若干平行通道，每个通道关于第(n-1)歧管(M1)的通道旋转，并且与第(n-1)歧管的通道流体连通；

-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；

-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

-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。

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：

-电气连接到光伏电极的集合的至少一个光伏表面；以及

-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。

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：

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≥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

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。

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。

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

-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；

-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；

-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；

-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；

-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；

-图6为叠加到图3的视图的图5的第二歧管的2D视图；

-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；

-图8为沿图2的线(平面)PP获得的截面视图(简化表示)；

-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；

-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；

-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

-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

下述描述如下安排。首先，描述一般实施例和高级变体(部分1)。下一部分解决更具体的实施例和技术实现细节(部分2)。

1.一般实施例和高级变体

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≥2是有效的，如在从下文描述中显而易见的。

反应器主要包含反应层RP和流体分配回路M1、M2，现在将进行描述。

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。

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。

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。

更精确地，流体分配回路包含入口孔的k个集合(k≥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–IA–IB–…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。

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’–OA’–OB’–…沿垂直方向y平行于序列IB–IA–IB–…。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(IA或IB)到出口孔(OA’到OB’)。

为了完整性，出口孔必须关于入口孔沿方向y(或更通常地沿参考方向)移动。基本上，出口孔相对于入口孔的移动施加回路部分的波形图案，见图2。通过交替类型的平行通道的方式，该移动将允许提供流体(即，液体)到反应层RP和从反应层RP收集流体。因此，这与在上文说明书中描述的其它几何限制一起允许流体分配过程和化学反应器本身的扩展性(scalability)。

上文描述的反应器意味着在操作中被使用k种化学流体(主要地，液体)填充。尽管使能了配对流体接触，但可以有意地避免流体的混合(例如，由于共层流流动)。归因于本身已知的方法，可以实现导致液体的扩散(仅)混合的良好控制的层流流动技术，如在引言中的概述。因此，没有强制在接触点处分开液体。NB：对于涉及共层流流动那些实施例，“流体”在实践中意味着“液体”，因为在实践中气体的共层流流动是不容易获得的。

在该方面，本发明可以实现为操作在此描述的设备的方法。基本上，方法的核心包括通过经由入口孔的k个集合分配(图11，步骤S10)k种化学流体到反应层使能N对流体接触，k≥2，以便，在N个化学基元CC的每个中，k种化学流体中的两种在两个各自的回路部分CP1、CP2中流通(步骤S20)，产生接触(步骤S30)并且从而使能所期望的化学反应。同时(即，当将流体分配时和/或在步骤S10已经开始之后)，将k种化学流体经由出口孔的k个集合从反应层收集，步骤S10a。

在图1-2中，将不同的方形图案用于示出由在化学基元CC的回路部分CP中的两种流体A、B获得的路径(水平-垂直方形图案用于流体A，旋转的方形图案用于流体B)。尽管如此，将另一图案用于区分孔IA、IB、OA’、OB’，原因将在稍后解释。注意到，因为在回路部分之间的接触处的(部分)扩散，从OA’和OB’收集的流体的特性轻微地不同于经由IA和IB分配的流体。出于这个原因，使用角标参考输出OA’和OB’，即，以紧记收集的流体轻微地不同于注入的流体。

如先前所述，每个化学基元CC使能至少一个配对接触。现在，所需要的入口/出口孔的交替序列意味着N≥4。确实，沿平行于方向y的一条线的限制的序列IB–IA–IB已经意味着两个垂直地邻近化学基元的第一集合(如果k＝2)；考虑到平行(并移动)的序列OB’–OA’–OB’也意味着两个垂直邻近化学基元的第二集合(也与化学基元的第一集合邻近)，因此所涉及的化学基元(由此的，配对接触)的最小数量为N≥4。概括地，N可以采取任何值m+m’–2，其中m≥3且m’≥3，其中m和m’为在每个平行线中的“单体(monomer)”(IB、IA、OB’或OA’)的数量，以便N可以采取大于4的任何值(并且没有必要为偶数)。因此，实际实现导致N≥l，对于l的任何整数值(≥4)。例如，图2明确示出24个配对接触。然而，在实践中，技术人员应理解，N可以更大，例如，1024。

更特别地参考图1、2：每个入口/出口孔优选地连接四个回路部分CP的端部，其每个属于不同的化学基元CC(但是，在反应平面RP中为邻近的)。如技术人员从图2中所理解的，这样的配置允许用于显著地增加回路部分CP的密度，并且进而增加在反应层RP中的化学基元CC的密度。更通常地，化学反应器不需要每个孔接合四个回路部分的端部。技术人员也可以建立更少回路部分的化学反应器，而这以更低密度为代价。例如，对于每个流体回路部分，具有仅一个入口孔和一个出口孔。然而，相比优选的情况，将需要四倍的孔，而反应层RP将不会使用化学基元密集组装。使每个孔接合四个回路部分的端部相应地是实现为化学反应器(具有两种化学流体或更多)的优选的方式。

现在更特别地参考图2：反应层RP和流体分配回路优选地形成2D周期性阵列，即，该阵列的单元基元UC在2D平面中(通过沿该两个方向x、y中的一个或每个平移)周期性重复。注意到，由于上文描述的几何限制的最小的集合(例如，OB’–OA’–OB’相对IB–IA–IB的移动)，单元基元需要包含非平行通道部分CP的子集。单元基元的选择并不唯一：在图2中，示出两个单元基元UC和UC’用于说明。2D周期性阵列为优选地，由于其允许用于增长组装密度同时使制造工艺容易。

重要地，单元基元捕获化学单元CC和流体分配回路(即，孔)的特征。然而，由于单个孔将优选地连接不同的化学基元CC的若干回路部分，当确定最小单元基元时，孔为限制因素。例如在图2中所见，最小单元基元UC、UC’主要通过需要的孔的最小集合(即，IA、IB、OA’、OB’)确定。

优选的实施例组合上文提出地(明确地或不明确地)若干选项，该实施为例如，其中：k＝2；每个孔连接四个回路部分的端部(属于不同的化学基元)；并且每个单元基元包含：

-四个化学基元；

-八个回路部分；

-两个入口孔IA、IB；以及

-两个出口孔OA’、OB’。

该实施例精确地对应于附图。然而，每个单元基元更通常地包含2k个化学基元，其中因素2来自输入和输出均被需要这一事实，而因素k归因于流体的数量。这是指诸如IA–IB–IC–ID…和OA’–OB’–OC’–OD’…的垂直序列。类似地，可获得4k个回路部分，k入口孔和k出口孔。依然如此，每个孔接合四个回路部分(每个部分属于不同的化学基元)的端部。

已经实现如何密集组装化学基元以用于使能具有k种流体的配对接触，有利地应用上述(常规)解决方案到任何值，k>2、k>3或k>4等，这导致很原始的设计。然而，这样的实施例产生复杂的技术附图，并且因此没有在附图中明确着色。尽管如此，我们注意到，如果考虑条状或方形图案用于着色CP1、CP2、IA、IB、OA’和OB’，之后在图2中示出剩余模板保持对于任何k(单元基元UC、UC’也依赖k的值)有效。尽管如此，可以相信，附图足够用于理解本发明的本质、概念方面和技术贡献。

参考图3-4：流体分配回路优选地包含至少一个歧管M1，其本身包含若干平行通道M11-M14。然后，对于兼容性原因，这些平行通道M11-M14中每个的必须垂直到方向y(或者说，参考方向)。每个平行通道M11-M14进一步与孔(入口或出口)的集合(A或B)中的一个的孔流体连通。为了该目的，在歧管M1中可以提供孔或管嘴NIA、NIB、NOA’、NOB’分别耦合到，即面对面地，孔IA、IB、OA’、OB’，这些孔在反应层RP的层级处直接连接到回路部分。尽管如此，管嘴NIA、NIB、NOA’、NOB’和孔IA、IB、OA’、OB’可以为一个或相同部件。更通常地，每个平行通道与入口孔的k个集合中的一个集合或出口孔的k个集合中的一个集合的孔连通。这意味着M1的平行通道也依次交替以满足对应的孔类型。根据上述定义，其遵从在M1中存在2k类型的通道。

现在，由于一个通道类型连接到相同类型的若干孔，见图3和4，通道的数量远少于孔的数量。此外，由于移动和交替的孔，经由依次交替平行通道可以实现到孔的流体分配/自孔的流体收集，也有利地允许关于反应层RP的上游和下游分配回路的可扩展性(即，同样地，关于入口/出口孔IA、IB、OA’、OB’的上游和下游)。

如上文所述，由于在附图中假定流体的两种类型(A和B)并且需要孔的两种类型用于输入和输出，提出4种类型的歧管通道。示出使用不同的图案(水平的、垂直的或斜线条纹“///”或“\\\”)的每种类型的通道。

在图4中，示出叠加到图2的反应层的歧管M1，以允许读者看到其中歧管连接到反应层RP。

类似地，流体分配回路进一步包含一个或多个附加的歧管，如在图5-7中示出具有(仅)一个附加的歧管M2。在该情况下，附加的歧管M2包含若干平行的通道M2i(即，在图中的M21–M25)，每个关于M1的通道M1i旋转(例如，与其垂直)，并且与M1的通道M1i流体连通。例如，在通道M2i中提供管嘴M2ij(即，在图中的M221和M222)以使能与M1的流体连通。可以将相同的原理概括到第n附加的歧管，其与第(n–1)歧管流体连通。因此，技术人员将理解，在歧管M1、M2等的每个中存在通道的2k个类型。然而，由于在Mn中的一个通道类型连接到在Mn-1中的若干通道，见图5和6，在Mn中的通道的数量远少于在Mn-1中的通道的数量。如上文限定的歧管的顺序允许用于使能一方面的宏观的流体入口/出口(例如，通过管道端口)与另一方面的在反应层RP的层级处的微观的或至少更小的孔之间的流体连通。潜在的原理再一次为完全可扩展的。更通常地，如果需要，为促进来自外部源的k种流体到反应器的供应，将添加歧管层。

当对比图8的截面图(沿图2的平面PP获得的)和图9的3D视图时，将更好的理解在图2-7中示出的2D视图。

注意到，通过两个叠加的层可以优选地形成歧管，其中第一层包含作为通孔的孔，并且第二层包含垂直于这些孔的方向定向的纵向通道。这具有就可制造性而言的优势。确实，歧管Mn的下子层包含用于与下层歧管Mn-1或反应层RP流体连通的孔，然而，上子层包含歧管Mn的通道。在它们各自的子层中可以加工作为通孔的孔和通道，这有助于制造工艺。两个这样的子层因而需要被首先叠加然后组装，而没有基本上的附加机械加工。因此，不仅孔而且通道都可以被制造作为通孔，即，在该情况下通道为槽，其限定从层的一个表面到相同层的另一表面的连续空隙。

在变体中，技术人员也制造在单层中的孔和通道，其中，通道不再连续通过层，而是限定槽，其被以特定深度凹入到层中。

叠加的层进一步由不同的材料构成，如果需要，由于对比孔，通道部分的不同尺寸和形状可被更简单地使用不同的材料处理。

然后，更特别地参考图2到4：按照上述说明书，出口孔需要以小于在沿方向y的两个邻近入口孔之间的距离的距离而移动。现在，典型地，它们移动两个邻近入口孔之间的距离的一半。半距离移动对应于在附图中示出的实施例。技术人员应理解，这种情况可能对于设计和制造而言是最简单的，因为这可以使能通道的规则设置，例如，流体分配回路的相同尺寸。

目前，更多地描述化学单元CC。参考返回到图1和2，每个连接相同的入口孔(例如，IA)到相同的出口孔(例如，OA’)的两个回路部分CP，通过壁E1、E2典型地分开。现在，在实施例中，化学反应器CR为优选地电化学反应器。在该情况下，壁E1、E2在反应器中作为电极E1、E2耦合。注意到这些电极可以为体电导体，或不是，即，设计电极，如果有必要，以便电功率沿电极的表面而不是它们的块体流动。将附加的壁W1、W2适当地设置以恰当地分开回路部分端部，如在图1、2中可见。

注意到，在电化学应用中，不会在流体A、B之间发生电子转移，而是发生在电极E1、E2与流体A、B之间。配对接触需要关闭电子回路(流体为离子导体，因此使能在彼此之间的离子交换用于电中性)。

图1到10涉及允许两个独立流体流的均匀地周期性分配的歧管方案并且示出电极如何被容易地集成到该方案用于电化学转换。示出的歧管确保独立流体流的分配和从宏观流体连接到微观转换平面的长度尺度(scale)的桥接。尽管在图1-10中示出的实例旨在两个入口和两个出口的流的独立处理；更多数量的流可如先前所述地被类似处理。

电化学产出和热耗散同时被建模以用于在反应层RP中的层流流动条件(在此没有报道，该内容是后续公开物的主题)。该研究已经示出本发明的实施例允许相比于已知的微流体电化学转换单元的非常高的功率足印(footprint)。例如，本发明的实施例允许获得对于在0.01和1.00m/s之间的平均流体流速的典型地大于0.1或者甚至1W/cm²的功率足印，然而现有技术的设备通常提供约为0.01到0.10W/cm²的功率足印。

对于这里公开的概念，可以构思若干的应用，显而易见地：

-用于功率密度的电化学功率输送(例如，燃料电池、氧化还原流电池)；

-具有集中存储的分散功率生产(例如，光伏)；

-具有限定的产物成分的化学反应器(例如，氢重整(reformer)、人工光合作用)；

-具有高热量传递系数的热管理(例如，微通道散热器)

-等等。

例如，本发明可以实现如图10中所示的光伏装置PA。图10的上部对应于截面视图，而下部为底部视图。装置PA实际上限制到单光伏特基元，或光伏模块，或尽管如此，它为包含光伏基元PC(或甚至模块)的阵列PMA的光伏系统。

简单地说，光伏装置通过经由展现光伏效应的半导体将太阳辐射(即，在图10中的“S”)转换为直流电力以生成电功率。光伏基元(或PV基元，也“太阳能基元”或“光电基元”)为固态器件，其通过光伏效应转换光的能量直接到电力。光伏模块(也“太阳能模块”、“太阳能板”或“光伏板”)为连接的光伏基元的组件。最后，光伏系统典型地包括光伏模块的阵列、逆变器以及互连布线。

在图10中，示出的装置为多光伏基元阵列接收器，其可以有利地被用于会聚式(concentrated)光伏装置。集中式光伏系统(通常缩写为CPV)使用光学部件(例如，透镜)以在太阳能光伏材料的小区域上面会聚大量的太阳光以生成电力(将太阳光直接转换到电力)。会聚允许用于太阳能基元的更小区域的制造。

重要地，与图1-9相反，在图10中示出的图案不再对应于流体路径。反而，现在条纹图案表示典型的等电势的区域，并且，现在将方形图案用于衬底S在反应层RP中的一些结构。

在所有的情况下，将本发明的应用到光伏装置将典型地产生，除了电气连接到诸如上文描述的化学(电化学)反应器CR之外，还包含至少一个光伏表面PS的装置，其电气连接到光伏电极PE、BE(BE代表背电极)的集合。在该情况下，CR电气连接到光伏电极的集合。注意，层S、RP等的垂直顺序与图8和9的相反。在图10中，附加的参考TC表示贯通通接触(through contacts)。形成在反应层RP’内的电极E1、E2(在k＝2流体的情况下)的电导电鳍片为电气连接到通接触TC。将电极E1、E2(在k＝2种流体的情况下)连接到电极端子T1、T2，将其进而连接到外部负载或电源，例如在图10中示出的光伏设备。在图10中示出的T1、T2的布置为交叉电极布置的实例，该交叉电极布置允许一贯地在整个区域之上互连电化学反应器与光伏基元。该电极端子的区域密集阵列在实施例中是特别有用的，例如，用于使用球栅阵列的电子设备。

当将反应器用作为电化学反应器时，电极E1、E2中的每个分开两个回路部分(其每个连接相同的入口孔到相同的出口孔)。换言之，每个电极被沿方向y邻近的两个化学基元共享。对应的操作方法进一步包括：分别分配电荷到该电极或从该电极收集电荷(在图11中的步骤S40)。这里，技术人员理解，可以将在电极之间的负载用于电力生成。备选地，可以将电力化学地储存在流体中。

图12A-12C表示将在下文简略描述的端子的布置的不同实例。如在燃料电池和电池技术的领域中已知的，若干单基元可以被电气互连为基元串以形成燃料电池叠层或模块。当在基元之间的电气互连被串联形成时，通过该基元串输送的总电压大于单个基元的电压。更具体地，在其中基元为串联连接的基元串的开路电压等于每个单个基元的单开路电压的总和。基元的该串联连接的一个特别的形式称为双极布置，其中，一个基元的电极参与两个邻近基元的电化学反应。在这种情况下，分配到一个基元中的电极的极性与分配到邻近基元中的电极的极性相反。在本发明的实施例中，可以有益于操作化学基元CC的串，以便在连接到外部负载或电源的端子处的开路电压为通过单化学基元CC输送的多个开路电压的整数倍。通过实例的方式，图12A-12C示出连接单个电极E1、E2以输送不同端子电压的不同的可能。例如，如果单个化学基元CC产生如通过在此发生的电化学反应限定的1V的开路电压，在图12A中的端子(粗线)在1V的电压处操作。基于相同类型的化学基元CC，在图12B中示出的布置输送3V的端子电压。在图12C中设计输送5V的端子电压。

归因于适当的流体分配(歧管)方案，已经描述的实施例可以可扩展到大领域。一些公开的实施例显著地允许通过有效率的微结构的电化学功率密度。本概念为可从小足印(例如，微处理器，很少cm²)高度扩展到大足印(例如，大光伏模块，若干m²)而没有功率密度损耗。由于通过层流流动的流体分隔为可应用的，它们进一步提供相对大规模基于膜的设计的减少复杂性。处于完整性，由于减少的布线电阻，可以使能有效的电化学能量存储和输送。上文描述的实施例也允许用于存储或输送电功率，或至少用于化学反应以发生这样的情况，根本地不同于例如，常规的微通道冷却器设计，其在其它技术领域中已经被提出。

已经参考附图描述上述实施例并且包括若干变体。在优选的实施例中，上述特征的若干组合为可预期的，如在附图中所描述的。在下一节中给出其他变体和详细的实例。

2.特定实施例/技术实现细节

若干附加的变体可被预期的。例如，流体分配可以通过设计不同流体路径的流体力学电阻被设计，例如，通过在歧管通道中引入特定锥(tape)或变化孔直径，该孔直径互连不同歧管层或最低歧管层与反应平面。

同样，对于电化学应用：可以预期不同电极布线配置，其使能大范围的电压组合，其中通过每个半-基元反应的电势(典型地～1V)限定最低电压。

大量电源电压有益于用于集成电路的功率供应应用。大量电荷电压也有益于来自各种光伏芯片(单-对多结、有机、薄膜)的直流能量存储(电解作用)。电源接脚典型地位于在反应层RP的下表面(即，面对PV系统的表面：具有各种可能的版图，如在图12A-C中所示)。

此外，对于诸如在图10中示出的光伏应用，应当注意，确保电极到电源/散热器的接近性以最小化布线损耗。

也可以通过各种技术实现电极和通道集成方案，诸如：

-常规的微制造技术(例如，光刻、湿/干蚀刻、金属化、电镀)；

-从含碳材料的体加工(例如，通过氧蚀刻、激光烧蚀)；以及

-非常规结构的自下而上制造(例如，热解结构化光刻胶、纳米管或纳米线的生长)。

也考虑封装的可靠性。使用硅作为衬底材料的解决方案允许在光伏基元(典型地锗)与反应器之间良好的热膨胀系数匹配，其降低在基元上的压力。硅的使用进一步允许使用MEMS工艺以构成反应器表面并在反应器中实施感测元件(温度、辐射、压力)。

然后，最小化泵浦功率同时最大化跨反应器表面的温度均匀性，二者均可以被通过诸如上述描述的有效的歧管实现，即，具有两个主路径(流体入口和出口)分层流体分配/收集系统。

分配通道(歧管)和注入孔/管嘴的逐层实现允许：

-使用不同材料和制造方法以覆盖结构尺寸的广阔范围(例如，从20μm到20mm或更多)；以及

-使用不同材料，进而允许实现在反应器层中的低热机械压力，增加封装的寿命。

使用MEMS技术优选地制造完整的封装(包括反应器和光伏系统部件)，利用微结构的限定和处理、成批处理、接合技术、感测元件的集成等等。

参考图10，该封装典型地包含：

-在顶部的层，包含

o光伏基元PC，一起形成多芯片模块，基元通过电互连而连接；

o旁路电极(未示出)；以及

o电气层(未示出)，用以连接光伏基元的底部电极。

-下层进一步包含：

o具有电阻温度器件的传感器层以测量在光伏基元(未示出)的底部处的整个封装之上的温度，如果需要；以及

o绝缘层，用以绝缘传感器层与电气层(未示出)；

将典型地使用薄膜沉积技术以及电流处理(galvanic process)处理这些层。也可以通过电流处理或诸如丝网印刷的任何常规工艺施加焊料。

在反应器层RP中，可以使用DRIE制造回路部分、壁等以提高散热。也可以使用多个切割锯制造这些通道。也可以通过DRIE制造孔。也可以使用模铸和其它大规模生产工艺。

包括如上文描述的反应器的多芯片模块封装例如包含：

-以彼此之间的最小距离焊接到衬底上的高效率三结太阳能基元(或“3JPV”，商业可得)；

-电气互连(包括导电衬垫、连接PE等)，在平行连接的情况下，其连接一个基元的顶部电极到另一基元的顶部电极，或在串联连接(300μm布线结合、钎焊或熔焊的铜带或引线框)的情况下，其连接一个基元的顶部电极到导电衬垫，该导电衬垫进而连接到另一基元的底部电极。

-载体(未示出)用于到其他系统的机械支撑和接口，并且其显著地包含如早前描述的电化学反应器，其中歧管层M1、M2由聚合物、金属、复合物材料等构成。

最后，注意到，在如上文描述的封装中，电化学反应器的存在避免了对于散热器的需要。

当参考特定实施例已经描述本发明时，本领域内的这些技术人员将理解，没有脱离本发明的范围的各种修改可以被做出，并且等效物可被代替。此外，可做出许多修改以适应特别的情况或材料到本发明的教导而没有脱离其自身的范围。因此，旨在本发明没有被限制到公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求内的范围的所有实施例。在该方面，依赖于实施例，并不是在附图中示出的所有的部件或步骤需要被涉及。此外，可以预期相对于所描述的情况的许多其它变体。例如，可以将其他材料用于制造在反应器层RP中的结构；可以依靠回路部分CP的其他图案，诸如弯曲(倒角)回路部分CP1、CP2等。

参考列表

CR 化学反应器

RP 反应层

E1、E2 壁(电极)

W1、W2 附加的壁

x、y 反应平面相交方向

UC 单元基元

UC’ 单元基元(变体)

CC 化学基元

CP 回路部分

M1、M2 流体分配回路

IA、IB 入口孔

OA’、OB’ 出口孔

M1 第一歧管

M11–M14 第一歧管的平行通道

M2 第二(附加)歧管

M21–M25 第二(附加)歧管的平行通道

PA 光伏装置

PMA 光伏模块的阵列

PM 光伏模块

PS 光伏表面

PE、BE 光伏电极

A 流体A

B 流体B

T1 电气连接端子1

T2 电气连接端子2(T1的相反极性)

Claims

1.一种化学反应器(CR)，被设计为能够实现在k种化学流体间的N个配对流体接触，其中k≥2且N≥4，所述反应器包括：

反应层(RP)

在通过两个方向(x，y)限定的2D平面中延伸；以及

包括N个化学基元(CC)，每个包括两个回路部分(CP1、CP2、CP)，所述两个回路部分被设计为分别能够实现所述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，从而能够实现用于所述k种化学流体中的所述两种的一个配对流体接触；

流体分配回路，包括：

入口孔(IA、IB)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

出口孔(OA’、OB’)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，

以及其中，

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。

2.根据权利要求1所述的化学反应器(CR)，其中，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(UC)在所述2D平面中通过沿所述两个方向(x，y)中的一个或每个的平移而周期性重复。

3.根据权利要求2所述的化学反应器(CR)，其中：

k＝2；

所述入口孔和所述出口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；以及

每个单元基元包括：

四个化学基元；

八个回路部分；

两个入口孔；以及

两个出口孔。

4.根据权利要求1的化学反应器(CR)，其中，所述流体分配回路至少包括第一歧管(M1)，所述第一歧管(M1)包括若干平行通道(M11-M14)，每个垂直于所述两个方向(x，y)中的所述一个(y)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。

5.根据权利要求4所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

6.根据权利要求4所述的化学反应器(CR)，其中，所述流体分配回路进一步包括一个或多个附加歧管(M2)，第n附加歧管(M2)包括若干平行通道(M21-M25)，每个通道关于第(n-1)歧管(M1)的通道(M11-M14)旋转，并且与第(n-1)歧管的通道(M11-M14)流体连通。

7.根据权利要求6所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

8.根据权利要求6所述的化学反应器(CR)，其中，所述第n附加歧管(M2)的若干平行通道(M21-M25)中的每个通道关于第(n-1)歧管(M1)的通道(M11-M14)垂直。

9.根据权利要求8所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

10.根据权利要求1所述的化学反应器(CR)，其中，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。

11.根据权利要求10所述的化学反应器(CR)，其中，所述出口孔移动两个邻近入口孔之间的所述距离的一半。

12.根据权利要求1所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2)。

13.根据权利要求1所述的化学反应器(CR)，其中，所述入口孔和所述出口孔中的每个接合属于不同的化学基元(CC)的四个回路部分(CP)的端部，所述不同的化学基元在所述反应平面中邻近。

14.根据权利要求13所述的化学反应器(CR)，其中，所述流体分配回路至少包括第一歧管(M1)，所述第一歧管(M1)包括若干平行通道(M11-M14)，每个垂直于所述两个方向(x，y)中的所述一个(y)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。

15.根据权利要求14所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

16.根据权利要求14所述的化学反应器(CR)，其中，所述流体分配回路进一步包括一个或多个附加歧管(M2)，第n附加歧管(M2)包括若干平行通道(M21-M25)，每个通道关于第(n-1)歧管(M1)的通道(M11-M14)旋转，并且与第(n-1)歧管的通道(M11-M14)流体连通。

17.根据权利要求16所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

18.根据权利要求16所述的化学反应器(CR)，其中，所述第n附加歧管(M2)的若干平行通道(M21-M25)中的每个通道关于第(n-1) 歧管(M1)的通道(M11-M14)垂直。

19.根据权利要求18所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

20.根据权利要求13所述的化学反应器(CR)，其中，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。

21.根据权利要求20所述的化学反应器(CR)，其中，所述出口孔移动两个邻近入口孔之间的所述距离的一半。

22.根据权利要求13所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2)。

23.根据权利要求13所述的化学反应器(CR)，其中，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(UC)在所述2D平面中通过沿所述两个方向(x，y)中的一个或每个的平移而周期性重复。

24.根据权利要求23所述的化学反应器(CR)，其中，所述流体分配回路至少包括第一歧管(M1)，第一歧管(M1)包括若干平行通道(M11-M14)，每个垂直于所述两个方向(x，y)中的所述一个(y)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。

25.根据权利要求24所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

26.根据权利要求24所述的化学反应器(CR)，其中，所述流体分配回路进一步包括一个或多个附加歧管(M2)，第n附加歧管(M2)包括若干平行通道(M21-M25)，每个通道关于第(n-1)歧管(M1)的通道(M11-M14)旋转，并且与第(n-1)歧管的通道(M11-M14)流体连通。

27.根据权利要求26所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

28.根据权利要求26所述的化学反应器(CR)，其中，所述第n附加歧管(M2)的若干平行通道(M21-M25)中的每个通道关于第(n-1)歧管(M1)的通道(M11-M14)垂直。

29.根据权利要求28所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

30.根据权利要求13所述的化学反应器(CR)，其中，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。

31.根据权利要求30所述的化学反应器(CR)，其中，所述出口孔移动两个邻近入口孔之间的所述距离的一半。

32.根据权利要求23所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2)。

33.根据权利要求23所述的化学反应器(CR)，其中：

k＝2；

每个单元基元包括：

四个化学基元；

八个回路部分；

两个入口孔；以及

两个出口孔。

34.根据权利要求33所述的化学反应器(CR)，其中，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。

35.根据权利要求34所述的化学反应器(CR)，其中，所述出口孔移动两个邻近入口孔之间的所述距离的一半。

36.根据权利要求33所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2)。

37.根据权利要求33的化学反应器(CR)，其中，所述流体分配回路至少包括第一歧管(M1)，所述第一歧管(M1)包括若干平行通道(M11-M14)，每个垂直于所述两个方向(x，y)中的所述一个(y)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。

38.根据权利要求37所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

39.根据权利要求37所述的化学反应器(CR)，其中，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。

40.根据权利要求39所述的化学反应器(CR)，其中，所述出口孔移动两个邻近入口孔之间的所述距离的一半。

41.根据权利要求37所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2) 。

42.根据权利要求37所述的化学反应器(CR)，其中，所述流体分配回路进一步包括一个或多个附加歧管(M2)，第n附加歧管(M2)包括若干平行通道(M21-M25)，每个通道关于第(n-1)歧管(M1)的通道(M11-M14)旋转，并且与第(n-1)歧管的通道(M11-M14)流体连通。

43.根据权利要求42所述的化学反应器(CR)，其中，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。

44.根据权利要求43所述的化学反应器(CR)，其中，所述出口孔移动两个邻近入口孔之间的所述距离的一半。

45.根据权利要求42所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁(E1、E2)分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2)。

46.根据权利要求42所述的化学反应器(CR)，其中，所述第n附加歧管(M2)的若干平行通道(M21-M25)中的每个通道关于第(n-1)歧管(M1)的通道(M11-M14)垂直。

47.根据权利要求46所述的化学反应器(CR)，其中，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。

48.根据权利要求47所述的化学反应器(CR)，其中，所述出口孔移动两个邻近入口孔之间的所述距离的一半。

49.根据权利要求46所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2)。

50.根据权利要求42所述的化学反应器(CR)，其中，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括作为通孔的孔，所述两个叠加的层的第二个包含作为通孔的通道。

51.根据权利要求50所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2)。

52.根据权利要求50所述的化学反应器(CR)，其中，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。

53.根据权利要求52所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2)。

54.根据权利要求52所述的化学反应器(CR)，其中，所述出口孔移动两个邻近入口孔之间的所述距离的一半。

55.根据权利要求54所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应器为电化学反应器，并且其中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通过在所述反应器中作为电极(E1、E2)耦合的壁分开，以便沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享所述电极(E1、E2)。

56.根据权利要求1到55中任一所述的化学反应器(CR)，其中，所述反应层(RP)在通过垂直的两个方向(x，y)限定的2D平面中延伸。

57.一种光伏装置(PA)，所述光伏装置包括：

-电气连接到光伏电极(PE、BE)的集合的至少一个光伏表面(PS)；以及

-根据先前权利要求中的任一所述的化学反应器(CR)，其电气连接到光伏电极的所述集合。

58.根据权利要求57所述的光伏装置，其中所述光伏装置包括光伏基元、光伏模块、包括光伏基元(PC)的阵列(PMA)的光伏系统、或包括光伏模块的阵列的光伏系统。

59.一种用于操作根据所述先前权利要求1到56中任一所述的化学反应器的方法，所述方法包括：通过下列方式能够实现N个配对流体接触：

经由入口孔的k个集合，分配(S10)k种化学流体到所述反应层，其中k≥2，以便，在每个所述N个化学基元(CC)中，所述k种化学流体中的两种在两个各自的回路部分(CP1、CP2)中流通(S20)，形成接触(S30)并由此能够实现化学反应；以及

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(S10a)。

60.根据权利要求59所述的方法，用于操作根据权利要求55所述的化学反应器，所述方法进一步包括：

分别向电极分配电荷或从电极收集(S40)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由沿所述两个方向中的所述一个(y)邻近的两个化学基元共享。