CN111564603A - 包含分支结构的分布装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布装置，所述分布装置包括主体部件，所述主体部件具有其横截面的主直径R0和沿纵向的主长度，并且主长度与主直径之比为2至1,000,000；从主体部件向两侧延伸的N1个一级分支部件，其具有其横截面的一级直径r1和沿纵向的一级长度，并且一级长度与一级直径之比为2至1,000,000，其中，各个一级分支部件之间具有第一间距d1，并且每个一级分支部件与主体部件之间具有第一夹角α1；本发明还提供了包括该分布装置的微反应器或电池。

Description

包含分支结构的分布装置

技术领域

本发明涉及一种分布装置，具体涉及一种包含分支结构、例如多级分支部件的分布装置；以及包括该分布装置的微反应器或电池。

背景技术

传统的电池通常具有两个电极，也即被电解质隔开的阳极和阴极，这些电极通常由良好的电子导体材料制成，并且将电能储存为电池组电池中的化学能以及电容器电池中的表面静电能。燃料电池是一种常用的电池，其中包括催化电极，这些催化电极将燃料的化学能转化为燃料电池中的电能。电池还含有电解质，该电解质通常以串联方式位于阳极和阴极之间。

在电池的充电或放电期间，两个电极之间的反应涉及电化学电池内正电荷在两个电极之间输送。在充电和放电期间，负电荷作为电子电流在外部电路中传输。

在传统电池组电池中，两个电极都是电解质的可迁移阳离子(通常称为工作离子)的供应来源和储存部件。在充电期间、一个电极用作工作离子的来源，而另一电极用作储存部件；在放电期间，这些功能在放电过程中则颠倒过来。在传统电化学电容器电池中，静电能作为电能储存在两个电极/电解质界面的两个双电层电容器中。

但是，传统电池存在很多的问题，例如电池安全性较低，电池的充放电速率较低，电池的电荷容量较低，电池的效率较低等等。

为了解决上述问题，目前本领域通常的改进技术是试图通过电极材料的改进和选择、电解质的选择、采用不同形式的电极(例如，膜电极)等来进行改进。例如，通过改变阳极和阴极的电极材料和/或电解质材料来提高电池的容量、功率性能和安全性；或者，通过改变电极的形态，采用膜电极形式构建电池来提高电池的容量和安全性。

虽然传统电池的各项性能已经得到了部分提高，但是其与理论上可以实现的最优值仍然存在差距。这可能是因为传统电池由于其结构的局限性，具有电解质流速和流量不均匀、电解质浓度分布不均匀或存在死角的问题。因此，电池内电解不均匀，电极上电流分布不均匀。因此在加载电流时，会导致电极上电势分布不均匀。

因此，需要一种可以应用于各种电极和电解质材料的新型结构设计，来改进电解质分布，提高电势分布均匀性，增大电流密度，提高电池效率，增加电池电荷容量，并改进安全性。

此外，在微反应器中存在相同的问题。微化工技术是顺应可持续发展与高技术发展需要而产生的一种新技术，是二十一世纪化学工程学科发展的重要方向之一，主要研究尺度在数微米至数百微米以内的微型设备和并行分布系统中的过程特征和规律。微反应技术是微化工技术的核心，是一种全新的过程强化技术，许多反应过程在微反应器中变得更经济、更快速、更安全以及更环保。微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系统，也可称之为微反应器或微通道连续反应器。相较于传统的混合反应器，微通道连续反应器具有便于精确操作、副反应少、节能减排、可连续操作等优点，它可以提供极大的比表面积、传质传热效率极高，同时实现了流体间的快速均匀混合。

微反应器通常用于复杂、反应剧烈、放热或吸热量大的化学反应。微反应器至少包括但不限于：具有至少一个流入和至少一个流出的反应区。在反应区中发生受控反应，由此，在至少一个反应区中可以使用或不使用催化剂。反应区可以设计成使得流体合并和/或分支的混合井或连续流井。但是由于微反应器中狭窄的微通道，其内部的反应物难以均匀分布。现有的反应器多采用在平板上加工出具有扰流结构的微通道，但是因为通道中的扰流结构阻挡作用，这种微通道结构会导致微反应器中反应物料的流量较小，仅能应用于实验室或小规模的生产，难以应用于较大产量要求的工业化生产中。因此，需要一种新型结构，以使得反应物分布更均匀，使流体间快速均匀混合，进而提高反应效率，并且能够适用于较大产量要求的工业化生产。

另外，同样由于微反应器中狭窄的微通道，温度梯度增加，再加上大的比表面积，这显著强化了微反应器的传热能力。由于微反应器在传热方面的优势，使其经常被应用于放热量或吸热量较大场合，因此能够及时传导热量，维持反应温度的稳定是微反应器的重要要求之一。为了维持反应温度的稳定，微反应器中通常组合或集成有冷却系统，所述冷却系统中具有冷却剂。

通常，在冷却剂未经过相变的情况下，每个冷却通道所经过的反应通道的数量是不同的，导致在后面的冷却通道中出现温度升高，导致整个系统内的不同反应通道的冷却能力不均匀。此外，由于温度变化，管内流体的粘度会发生变化，这又导致在各个通道上以及在冷却区域和反应区域上介质的不均匀分配，这也是不希望的。就此而言，反应介质的不均匀分配是一个问题，因为这意味着不同的停留时间。

而在冷却剂发生相变的情况下则更加复杂。当冷却剂保持单相时，待去除的热量沿反应通道发生变化，而在冷却剂发生相变时，这意味着不同程度的蒸发。蒸发首先在反应进行得更快的区域上发生。反应的温度控制更加困难。纯蒸汽所通过的反应通道不能再充分冷却，因为蒸汽的质量流量和比热容要小得多。在极端情况下，蒸发过程可能在实际的冷却通道和冷却剂在反应通道纵向上的分配变得更加困难之前进行。由于反应通道的通常垂直取向，这意味着冷却通道的分配同样垂直地发生，并受到重力的影响。因此，通过在冷却通道前面形成气泡，最终气泡会阻碍冷却剂进入某些区域。

现有技术中存在解决突出问题的几种解决方案。例如，使用在微通道中具有相变的流动控制；例如，使用具有填充分级催化剂的交叉流型的构造；例如，通过压力影响通道结构中分配；使用助催化剂；沿反应区使用不同数量的通道；使用不同冷却剂的温度梯度；使用不同形状(曲折的)的通道。但是，其都未提供一种用于适用于各种冷却剂(包括发生相变的冷却剂和不发生相变的冷却剂)的分布装置，其能够改进冷却剂的分布，得到更好的冷却效果，使得反应温度更稳定。

发明内容

为了解决上述问题，发明人试图研发一种仿生结构的分布装置。该分布装置可以使得流体分布更均匀。所述分布装置能够提高反应效率，改进电极的电势分布均匀性、电流密度、电解效率，并且提高微反应器内的反应物分布、流体间的混合、反应效率，使微反应器适用于工业化生产，改进冷却装置的冷却剂分布，得到更好的冷却效果，使得反应温度更稳定。

根据本公开第一方面，提供了一种分布装置，其包括：

主体部件，所述主体部件具有其横截面的主直径R₀和沿纵向的主长度L，并且主长度与主直径之比为2至1,000,000，

从主体部件向两侧延伸的N1个一级分支部件，其具有其横截面的一级直径r₁和沿纵向的一级长度L1，并且一级长度与一级直径之比为2至1,000,000，其中，各个一级分支部件之间具有第一间距d1，并且每个一级分支部件与主体部件之间具有第一夹角α1，

任选的，从每个一级分支部件两侧延伸的N2个二级分支部件，其具有其横截面的二级直径r₂和沿纵向的二级长度L1，并且二级长度与二级直径之比为2至1,000,000，其中，从同一个一级分支部件延伸的各二级分支部件之间具有第二间距d2，并且每个二级分支部件与对应的一级分支部件之间具有第二夹角α2，

任选的，从每个二级分支部件两侧延伸的N3个三级分支部件，其具有其横截面的三级直径r₃和沿纵向的三级长度L3，并且三级长度与三级直径之比为2至1,000,000，其中，从同一个二级分支部件延伸的各三级分支部件之间具有第三间距d3，并且每个三级分支部件与对应的二级分支部件之间具有第三夹角α3，

且满足以下关系式：

上述分布装置还可以具有以下一个或多个附加特征，除非明确相互排除，否则这些附加特征可以以任意和所有可能的组合方式彼此组合

1)所述主体部件、一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件各自分别是实心的或空心的。

2)所述一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件中的最低一级分支部件连接于下游主体部件。

3)所述主体部件包括尾端部，该尾端部从最下游处的一级分支部件根部延伸到所述主体部件的末端，所述末端不与任何下游部件相连，所述尾端部的长度为L/10至L/20。

4)所述主体部件的长度为120-480毫米，横截面直径为40-80毫米；每一个所述一级分支部件的长度分别为60-120毫米，每一个一级分支部件的横截面直径为30-50毫米，每一个所述一级分支部件与所述主题部件的夹角为30°-120°；每一个所述二级分支部件的长度分别为15-30毫米，每一个二级分支部件的横截面直径为7-18毫米，每一个所述二级分支部件与所述一级分支部件的夹角为30°-120°；每一个所述三级分支部件的长度分别为10-18毫米，每一个三级分支部件的横截面直径为3-9毫米，每一个所述三级分支部件与所述三级分支部件的夹角为30°-120°。

5)所述分布装置的结构基于以下式I或式II：

根据本公开第二方面，提供了一种分布装置，其主体部件、一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件各自分别是实心的，该分布装置是电极。

根据本公开第三方面，提供了一种分布装置，其主体部件、一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件各自分别是空心的且构成互相流体连通的流体通道，该分布装置是微型反应器。

根据本公开第四方面，提供了一种分布装置，其主体部件、一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件各自分别是空心的且构成互相流体连通的流体通道，该分布装置是换热装置。

根据本公开第五方面，提供了一种电学装置，该电学装置是至少一个原电池或电解池，其包括如上文所述的电极。

附图说明

附图中显示了本发明以及现有技术的一些设计形式。

图1是根据本发明一个实施方式的电极的示意图；

图2是根据本发明一个实施方式的电学设备的分解示意图，其中包括本发明的电极；

图3是根据本发明一个实施方式用作微型反应器的分布装置的示意图；

图4是根据本发明一个实施方式的树形分布装置的示意图；

图5A是根据本发明一个实施方式的电极的电势分布图；

图5B是根据本发明一个实施方式的电极的电流分布图；

图6显示了根据本发明一个实施方式的电极的电势分布图；

图7显示了一个对比试验的平板电极的电势分布图；

图8A显示了根据本发明一个实施方式的微通道反应器中的流体流速分布图；

图8B和图8C显示了两个对比试验的微通道反应器中的流体流速分布图。

具体实施方式

本文所公开的“范围”以下限和上限的形式。可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的。选定的下限和上限限定了特别范围的边界。所有可以这种方式进行限定的范围是包含和可组合的，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。

在本发明中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。

如果没有特别指出，本说明书所用的术语“两种”指“至少两种”。

在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。

在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。

在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，但是优选是顺序进行的。例如，所述方法包括步骤(a)和(b)，表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，所述提到所述方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。

在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的“包括”表示开放式，也可以是封闭式。例如，所述“包括”可以表示还可以包含没有列出的其他组分，也可以仅包括列出的组分。

在本发明中，当描述特定部件或物体相对于其他部件或物体的空间关系时，所采用的术语“之内”、“之外”、“之上”、“之下”等等，表示前者位于后者的内部、外部、上方或下方，二者可以直接接触，也可以相隔一定的距离或者由第三个部件或物体所间隔。

在本发明中，用“上游”和“下游”来描述和限定分布装置的某个结构或者部分的相对位置，以物料、电流或热能在该分布装置中流动的方向为基础。例如，对于流体分布装置，在其主体部件中，空间上较为靠近流体入口的位置看作上游，较为远离该流体入口的位置看作下游。上一级部件通常看作位于下一级部件或者更下一级部件的上游。

在此需要强调的是，在附图中显示以及在下文所述的仅仅是本发明的一些具体实施方式，本发明的保护范围不仅限于这些具体实施方式。本发明的保护范围由本发明的权利要求所限定，可能包括权利要求书范围内的任意技术方案，包括但不限于对这些具体实施方式的进一步改进和替代。

根据本发明的一些实施方式，提供了一种分布装置。在本文中，“分布装置”的含义是用来对物质(例如气态、液态、气液混合态或液固混合态的反应物流)或能量(例如电流、静电荷或热能)的空间分布状态进行控制的装置。所述分布装置包括：主体部件，所述主体部件具有其横截面的主直径R0和沿纵向的主长度，并且主长度与主直径之比为2至1,000,000，优选20至900,000，更优选100至800,000，例如，200至700,000，500至600,000，1000至500,000，5000至400,000，也可以处于以上所述的任意两个数值分别作为上限和下限所构成的数值范围之内；从主体部件向两侧延伸的N1个一级分支部件，其具有其横截面的一级直径r1和沿纵向的一级长度，并且一级长度与一级直径之比为2至1,000,000，优选20至900,000，更优选100至800,000，例如，200至700,000，500至600,000，1000至500,000，5000至400,000，也可以处于以上所述的任意两个数值分别作为上限和下限所构成的数值范围之内，其中，各个一级分支部件之间具有第一间距d1，并且每个一级分支部件与主体部件之间具有第一夹角α1，任选的，从每个一级分支部件两侧延伸的N2个二级分支部件，其具有其横截面的二级直径r2和沿纵向的二级长度，并且二级长度与二级直径之比为2至1,000,000，优选20至900,000，更优选100至800,000，例如，200至700,000，500至600,000，1000至500,000，5000至400,000，也可以处于以上所述的任意两个数值分别作为上限和下限所构成的数值范围之内，其中，从同一个一级分支部件延伸的各二级分支部件之间具有第二间距d2，并且每个二级分支部件与对应的一级分支部件之间具有第二夹角α2，任选的，从每个二级分支部件两侧延伸的N3个三级分支部件，其具有其横截面的三级直径r3和沿纵向的三级长度，并且三级长度与三级直径之比为2至1,000,000优选20至900,000，更优选100至800,000，例如，200至700,000，500至600,000，1000至500,000，5000至400,000，也可以处于以上所述的任意两个数值分别作为上限和下限所构成的数值范围之内，其中，从同一个二级分支部件延伸的各三级分支部件之间具有第三间距d3，并且每个三级分支部件与对应的二级分支部件之间具有第三夹角α3，且满足以下关系式：

在本发明的所有实施方式中，以上所述的间距d1表示在所述一级分支部件的根部(即主体部件与一级分支部件界面处)所述一级分支部件的一个外表面与最接近的另一个一级分支部件的相对外表面之间的距离，该距离沿着所述两个最接近的一级分支部件相对外表面之间的主体部件表面测量。根据本发明一个优选的实施方式，所述分布装置每侧都包括大于两条的一级分支部件，且每一侧任意两个最接近的一级分支部件之间具有均匀的d1，即d1值彼此相同。

在本发明的所有实施方式中，以上所述的间距d2表示在所述二级分支部件的根部(即一级分支部件与二级分支部件界面处)所述二级分支部件的一个外表面与最接近的另一个二级分支部件的相对外表面之间的距离，该距离沿着所述两个最接近的二级分支部件相对外表面之间的一级分支部件表面测量。根据本发明一个优选的实施方式，所述分布装置中每个一级分支部件的每侧都包括大于两条的二级分支部件，且每一侧任意两个最接近的二级分支部件之间具有均匀的d2，即d2值彼此相同。

在本发明的所有实施方式中，以上所述的间距d3表示在所述三级分支部件的根部(即二级分支部件与三级分支部件界面处)所述三级分支部件的一个外表面与最接近的另一个三级分支部件的相对外表面之间的距离，该距离沿着所述两个最接近的三级分支部件相对外表面之间的二级分支部件表面测量。根据本发明一个优选的实施方式，所述分布装置中每个二级分支部件的每侧都包括大于两条的三级分支部件，且每一侧任意两个最接近的三级分支部件之间具有均匀的d3，即d3值彼此相同。

在本发明的所有实施方式中，以上所述的夹角α1表示在所述一级分支部件的根部(即主体部件与一级分支部件界面处)所述一级分支部件的纵向轴与主体结构此处的纵向轴之间的夹角。在本发明的所有实施方式中，以上所述的夹角α2表示在所述二级分支部件的根部(即一级分支部件与二级分支部件界面处)所述二级分支部件的纵向轴与一级分支部件此处的纵向轴之间的夹角。在本发明的所有实施方式中，以上所述的夹角α3表示在所述三级分支部件的根部(即二级分支部件与三级分支部件界面处)所述三级分支部件的纵向轴与二级分支部件此处的纵向轴之间的夹角。

根据本发明的一些实施方式，所述第一间距d1为L₁/5至L₁/30(其中L₁为一级分支部件的长度)，优选L₁/10至L₁/20；所述第一夹角α1为0至150°，优选10°至120°。根据本发明的一些实施方式，所述第二间距d2为L₂/5至L₂/30(其中L₂为二级分支部件长度)，优选L₂/10至L₂/20；所述第二夹角α2为0至150°，优选10°至120°。根据本发明的一些实施方式，所述第三间距d3为L₃/5至L₃/30(其中L₃为二级分支部件长度)，优选L₃/10至L_3/20；所述第三夹角α3为0至150°，优选10°至120°。

根据本发明一个优选的实施方式，主体部件的长度L与一级分支部件的长度L₁比为10:1至1:10，例如8:1至1:8，或者6:1至1:6，或者4:1至1:4，或者20:1至1:2，或者1:1至1:0.9，或者任意两个上述比例构成的范围。根据本发明另一个优选的实施方式，一级分布部件的长度L₁与二级分支部件的长度L₂比为10:1至1:10，例如8:1至1:8，或者6:1至1:6，或者4:1至1:4，或者20:1至1:2，或者1:1至1:0.9，或者任意两个上述比例构成的范围。根据本发明另一个优选的实施方式，二级分布部件的长度L₂与三级分支部件的长度L₃比为10:1至1:10，例如8:1至1:8，或者6:1至1:6，或者4:1至1:4，或者20:1至1:2，或者1:1至1:0.9，或者任意两个上述比例构成的范围。

根据本发明的各种实施方式，所述主体部件的主长度为10-5000毫米，或者20-4500毫米，或者30-4000毫米，或者40-3800毫米，或者50-3500毫米，或者60-3200毫米，或者70-3100毫米，或者80-3000毫米，或者90-2500毫米，或者100-2000毫米，或者100-1500毫米，或者110-1000毫米，或者120-480毫米，或者任意两个上述数值构成的数值范围；所述主体部件的横截面直径为0.1-500毫米，或者0.2-450毫米，或者0.5-400毫米，或者5-400毫米，或者7-350毫米，或者10-300毫米，或者20-200毫米，或者30-100毫米，或者40-80毫米，或者任意两个上述数值构成的数值范围。

根据本发明的各种实施方式，所述一级分支部件的长度为5-2000毫米，或者10-1500毫米，或者20-1200毫米，或者30-1000毫米，或者40-800毫米，或者45-500毫米，或者50-200毫米，或者60-120毫米，或者任意两个上述数值构成的数值范围；所述一级分支部件的横截面直径为0.1-200毫米，或者0.2-100毫米，或者0.8-80毫米，或者1-70毫米，或者2-60毫米，或者3-50毫米，或者4-40毫米，或者5-40毫米，或者7-40毫米，或者10-20毫米，或者任意两个上述数值构成的数值范围。

根据本发明的各种实施方式，所述二级分支部件的长度为2-1000毫米，或者5-750毫米，或者10-700毫米，或者20-600毫米，或者30-500毫米，或者40-400毫米，或者50-200毫米，或者60-100毫米，或者任意两个上述数值构成的数值范围；所述二级分支部件的横截面直径为0.01-100毫米，或者0.02-80毫米，或者0.1-60毫米，或者0.2-70毫米，或者10-60毫米，或者15-40毫米，或者任意两个上述数值构成的数值范围。

根据本发明的各种实施方式，所述三级分支部件的长度为1-800毫米，或者2-700毫米，或者4-600毫米，或者6-500毫米，或者7-400毫米，或者8-300毫米，或者10-200毫米，或者20-80毫米，或者30-70毫米，或者40-60毫米，或者任意两个上述数值构成的数值范围；所述三级分支部件的横截面直径为0.01-100毫米，或者0.02-70毫米，或者0.1-60毫米，或者0.2-50毫米，或者1-40毫米，或者2-20毫米，或者任意两个上述数值构成的数值范围。

根据本发明的一个优选的实施方式，所述主体部件包括尾端部，该尾端部从最下游处的一级分支部件根部延伸到所述主体部件的封闭的末端，所述末端不与任何下游部件相连，所述尾端部的长度为L/10至L/20。不希望受限于任何具体的理论，虽然该尾端部未与任何下游部件相连，在作为流体传输分布装置、电传输分布装置或传热装置的时候貌似是一个“死胡同”，但是发明人研究发现，该尾端部的存在对于整个分布装置中流体、电、热量的均匀分布是有着显著的影响的。

根据本发明的一个实施方式，该分布装置具有图4所示的树形结构，该树形结构具有四级结构，第一级结构也即主体结构，其长度为120-480毫米，横截面直径为40-80毫米；从该主体结构末端的侧部延伸出两个一级分支结构，每个一级分支结构与主体结构呈90度角，每个一级分支结构中有一个弯折，该弯折的角度为90度，一级分支结构的长度(由于该一级分支结构具有一个弯折，所以其长度表示沿其主轴延伸的总长度)为60-120毫米，横截面直径为30-50毫米；从每个一级分支结构末端的侧部延伸出两个二级分支结构，每个二级分支结构与主体结构呈90度角，每个二级分支结构中有二个弯折，该弯折的角度为90度，一级分支结构的长度(由于该二级分支结构具有一个弯折，所以其长度表示沿其主轴延伸的总长度)为15-30毫米，横截面直径为7-18毫米；从每个二级分支结构末端的侧部延伸出两个三级分支结构，每个三级分支结构与主体结构呈90度角，每个三级分支结构中有二个弯折，该弯折的角度为90度，三级分支结构的长度(由于该三级分支结构具有一个弯折，所以其长度表示沿其主轴延伸的总长度)为10-18毫米，横截面直径为3-9毫米。根据一个实施方式，该树形结构是实心的，用作电极或换热装置；或者该树形结构是空心的，用作微型反应器或者换热装置。特别优选地，所述包括一级至三级分支结构的分布装置总体结构由下式II决定：

在以上所述的式II中，其中

是z方向的平移量，r为缩放比例，θ为绕y-x平面的旋转角度，φ为y-z平面的旋转角度，

为当前支管尾端中心的坐标，

为下级支管尾端中心点坐标。

根据本发明的一个优选的实施方式，本发明的分布装置具有图4所示的结构，其中主体结构与一级分支结构总体由式II决定，其中式II中各参数的取值如下所示：

α	β	θ	r<sub>x</sub>	r<sub>y</sub>	r<sub>z</sub>	P	t<sub>x</sub>	t<sub>y</sub>	t<sub>z</sub>
										0	0	0	0.8	0.82	0.9	0.33	0	0	1.0
0	90	90	0.62	0.58	0.73	0.33	0	0	0.80
										0	90	-90	0.59	0.58	0.70	0.34	0	0	0.60

在上述优选实施方式的基础上，本发明的分布装置具有图4所示的结构，其中一级分支结构与二级分支结构总体由式II决定，其中式II中各参数的取值如下所示：

α	β	θ	r<sub>x</sub>	r<sub>y</sub>	r<sub>z</sub>	P	t<sub>x</sub>	t<sub>y</sub>	t<sub>z</sub>
										0	0	0	0.8	0.82	0.9	0.33	0	0	1.0
0	90	90	0.62	0.58	0.73	0.33	0	0	0.80
										0	90	-90	0.59	0.58	0.70	0.34	0	0	0.60

在上述优选实施方式的基础上，本发明的分布装置具有图4所示的结构，其中二级分支结构与三级分支结构总体由式II决定，其中式II中各参数的取值如下所示：

根据本发明的另一个优选的实施方式，该分布装置具有图1所示的树叶状结构，其仅具有两级结构，即一条笔直的主体结构和从该主体结构延伸出的36条弯曲的一级分支结构，主体结构的长度为18-30毫米，横截面直径R₀为0.2-5毫米，例如0.5-3毫米，一级分支结构的横截面直径r₁为0.08-0.1毫米，且R₀ ³＝36×r₁ ³。最优选地，图1所示的树叶状结构的主体结构与一级分支结构由下式I确定：

其中x’和y’为延伸分支结构尾端中心点的坐标，x和y表示参考支管结构尾端中心点坐标，h和k分别表示x和y方向上的平移分量，r和s分别看作是x和y方向上的比例放大倍数，

和θ分别表示绕x和y的转角。

根据本发明一个特别优选的实施方式，采用以下参数取值，获得图1所示的树叶装结构。

根据本发明一个特别优选的实施方式，使用python软件，基于以上所述的式I、式II和参数设定获得本发明的分布装置。

根据本发明的各种实施方式，该分布装置还具有下游主体部件，该下游主体部件具有与主体结构相同的横截面直径R₀并且与所有的一级分支结构相连。根据一个实施方式，该树叶状结构是实心的，用作电极或换热装置；或者该树叶状结构是空心的，用作微型反应器或者换热装置。在树叶状结构作为电极的时候，电荷/电流依次流经主体结构、一级分支结构和下游主体部件；在树叶状结构作为换热装置的时候，热量经由实心的换热装置材料传导，或者经由换热装置内部的换热介质传导，依次流经主体结构、一级分支结构和下游主体部件。

根据本发明的一个优选的实施方式，提供了一个使用本发明的电极(优选树叶状电极)的电学设备，该电学设备可以是原电池、电解池、燃料电池等，下文中以电解池为例对本发明的一个实施方式进行具体介绍。

图2显示了该电学设备(例如电解池)的示意图，其包括位于中央的隔膜，该隔膜将电池分为阳极侧和阴极侧，所述阳极侧包括电解质和阳极，所述电解质包含可迁移阳离子和电偶极子，并且所述阳极可以包含与电解质中的可迁移阳离子对应的金属，或者可以是对反应完全惰性的材料。在一些实施方式中，阳极中的金属可以是碱金属、铝(Al)金属、镁(Mg)金属、铜金属、铁金属、钢、铂金属、铱金属、铑金属、银金属、金、或者它们的合金、导电陶瓷、导电聚合物或者碳材料。具体来说，其包括：锂(Li)金属、钠(Na)金属、钾(K)金属、铝(Al)金属、镁(Mg)金属、铜金属、铁金属、钢、铂金属、铱金属、铑金属、银金属、金、或它们的合金、导电陶瓷、导电聚合物或者碳材料。在一些实施方式中，使用所述金属按照如上文所述的分布装置的树叶状实心结构、通过金属沉积或3D打印技术形成电极，也可以通过在所述金属薄板上进行物理切割或化学蚀刻而形成，形成的电极可以是没有支撑基材的形式(自支撑式)，也可以是位于一个支撑基板上(支撑式)。在存在支撑基板的情况下，所述支撑基板优选使用与阳极相同的金属材料制成。

在一些实施方式中，阳极还可以包括集电器材料，例如，碳、Al金属或Mg金属。阳极中的金属包括至少一种在电池中具有电化学活性的金属，并且如果提供更复杂的电化学特性，例如在不同电势下运行的能力，则阳极可以包含超过一种在电池中具有电化学活性的金属。

在一些实施方式中，电解质可以是离子液体或离子液体与无机或有机溶剂的混合物。优选地，所述电解质可以是离子液体或离子液体与有机溶剂的混合物。所述有机溶剂包括但不限于下组：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、四乙二醇二甲醚和它们的组合。

阴极侧设置有电解质和阴极，阴极的结构基本上与阳极的结构相同，区别仅在于根据具体反应的不同，可能选择与阳极相同或不同的材料。电解池中的隔膜、电解质以及其他的部件(例如电解池外壳壁等部件)可以根据需要进行合理的选择。根据本发明的一个实施方式，该阴极含有阴极活性材料，阴极客体离子通过电化学反应(氧化还原反应)可逆地还原为金属而称为所述阴极活性材料的一部分或者由阴极活性材料氧化成对应的离子而进入电解质溶液中。在一些实施方式中，阴极可以具有如上文所述的树叶状结构的实心分布装置。所述阴极通过在基材上形成如上文所述的分布装置的实心结构来形成。所述基材可以是可用作阴极材料的材料。形成阴极的方法可以是如上文所提及的各种沉积方法或3D打印机技术中的任一或其组合。

在一些实施方式中，阴极可以包括碳材料，例如，元素碳，如碳纳米颗粒、多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、石墨烯纳米带、碳纤维、氧化石墨烯、氧化石墨烯纳米带、柔性石墨、石墨烯纳米片、石墨、活性炭、经热处理的沥青、无定形碳、炭黑、以及它们的混合物；或其它形式的碳(例如，硫化的碳)。在一些实施方式中，碳材料还可以用聚合物处理以制造更柔韧而不会破裂的碳材料。所述聚合物可以选自下组：聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、热塑性聚氨酯、聚丁二烯、聚(苯乙烯-丁二烯)、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚丙烯腈、聚苯胺、聚氟化体系、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚丙烯酸酯、乙烯基聚合物、链增长聚合物、逐步增长聚合物、缩聚物、以及它们的混合物。

在一些实施方式中，阴极可以包括具有可迁移阴极客体阳离子的任意阴极活性材料。合适的阴极客体阳离子包括碱金属阳离子(例如，Li⁺离子、Na⁺离子和K⁺离子)，或者其它金属阳离子(例如，Al⁺离子和Mg⁺离子)，或者由两个或更多个原子形成的较大阳离子。阴极活性材料可以是接受Li⁺离子或其它阴极客体阳离子的结晶金属氧化物。例如，阴极活性材料可以包括层状氧化物、尖晶石、或橄榄石。阴极客体可迁移阳离子可以包括：锂离子(Li⁺)、钠离子(Na⁺)、钾离子(K⁺)、铝离子(Al³⁺)、或镁离子(Mg²⁺)。

根据本发明的一个实施方式，所述电学设备可以是一个层状电池，其具有与上述电解池大体相同的内部结构，区别仅在于，通过电池内部各组分发生的化学反应产生电荷，在两极外界连通的情况下，产生外部电流从而提供电能。该电池可以包括隔膜或者不包括隔膜，内部的电解质、电极等部件可以分别做成片状的形式，层叠起来密封在外壳之内，从而形成所述层状电池。两个电极分别具有裸露于外壳之外的端子，用于与外部电学器件连接。优选地，所述层状电池中的电极具有上文所述的树叶状实心结构。

所述层状电池的各组分可以具有各自的厚度。各组分的厚度变化可以小于25％、小于10％、小于5％、小于1％、或小于0.5％、0.01％至0.5％、0.01％至1％、0.01％至5％、0.01％至10％、0.01％至25％、0.5％至1％、0.05％至5％、0.5％至1％、0.5％至5％、0.5％至10％、0.5％至25％、1％至5％、1％至10％、1％至25％、5％至10％、5％至25％、或10％至25％。电解质的厚度可以为至少10μm、至少25μm、至少50μm、至少75μm、至少100μm、10μm至100μm、25μm至100μm、50μm至100μm、75μm至100μm、10μm至2000μm、25μm至2000μm、50μm至2000μm、75μm至2000μm、100μm至2000μm、10μm至5000μm、25μm至5000μm、50μm至5000μm、75μm至5000μm、或100μm至5000μm。

本文记载的电学设备作为电池使用的时候，可以用于便携电池组，包括在手持式和/或可穿戴式电子设备中使用的那些，例如电话、手表、平板电脑或笔记本电脑；在固定电子装置中使用，例如，台式计算机或大型计算机；在电动工具中使用，例如电钻；在电动或混合动力的基于陆地、水中或孔中的交通工具中使用，例如船舶、潜艇、公共汽车、火车、卡车、汽车、摩托车、轻便摩托车、电动自行车、飞机、无人机、其他飞行器及其玩具版本；用于能量存储，例如用于存储来自风、太阳能、潮汐、水电或核能的电力和/或用于电网储存；或用作小规模使用的固定电力存储，例如，用于家庭、企业或医院。

超级电容器电池也可以包括本文的电学装置作为电极或者集电器，并且具体可以在需要快速充电和/或高功率的应用中使用，例如，电动工具和电动或混合动力交通工具。

上述电化学电池和电池组还可以与本说明书或附图中所述的任意其它特征组合，除非明确相互排斥，否则这些特征可以彼此组合。

图3显示了根据本发明另一个实施方式的微反应器的结构，其为具有本发明限定的树叶状二级微通道结构的分布装置。该微反应器可以通过切割法、蚀刻法、沉积法或者3D打印法形成，构成该微反应器的材料可以是铝(Al)金属、镁(Mg)金属、铜金属、铁金属、钢、铂金属、铱金属、铑金属、银金属、金、上述金属的合金、陶瓷、金属复合氧化物、二氧化硅、塑料、或者上述所有材料的混合物。

在本公开中的“沉积”是指利用发生的物理、化学过程，改变物体表面成分，在表面形成具有所需性能的金属涂层、复合氧化物或聚合物的技术。在本公开中可用的沉积方法包括但不限于如下中的至少一种：原子层沉积、物理气相沉积、化学气相沉积、化学液相沉积、电沉积技术，例如，溅射沉积，如射频溅射，多频溅射，电子束蒸发，直流溅射，反应性溅射，非反应性溅射；等离子增强化学气相沉积，金属有机化学气相沉积，分子层沉积，激光辅助沉积等；等离子体喷涂、喷雾热解、狭缝模头涂布、丝网印刷等；以及本领域技术人员已知的任何其它沉积方法。本文所用“原子层沉积”是指是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法，在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。本文所用的术语“物理气相沉积”是指在真空条件下，采用物理方法，将材料源表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法包括：真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。本文所用的术语“化学气相沉积”是指利用加热、等离子体激励或光辐射等方法，使气态或蒸汽状态的化学物质发生反应并以原子态沉积在置于适当位置的基材上，从而形成所需要的固态薄膜或涂层的过程。化学气相沉积的主要方法包括：常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积等。本文所用的术语“化学液相沉积”是指金属氟化物的水溶液通过溶液中金属氟代络离子与氟离子消耗剂之间的配位体置换，驱动金属氟化物的水解平衡移动，使得金属氧化物沉积在基材上。本文所用的术语“电沉积”是指电沉积是指金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的过程。电沉积包括：直流电沉积、脉冲电沉积、喷射电沉积、复合电沉积、电刷镀复合电沉积、超声波电沉积等。

在本公开中的“蚀刻”是指将材料使用化学反应或物理撞击作用而移除的技术。本公开中的蚀刻技术包括但不限于以下中的任一：湿法蚀刻；干法蚀刻，例如，离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀等；以及本领域技术人员已知的任何其它蚀刻方法。本文所用“湿法蚀刻”是指通过一定的化学试剂或试剂溶液对物体表面进行蚀刻，以去除部分表面的工艺。本文所用“干法蚀刻”是指用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。

在本公开中的“3D打印”是指一种快速成型技术，也称增材制造，其是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。所述3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。

在下文中主要基于是费-托反应对本发明优选的微反应器实施方式的操作和特点进行了论述，但是此处需要强调的是，本发明的微反应器的用途不仅限于费托反应，还可以用于可在微通道体系中实施的任意其他的包括气固相相互作用的工艺，并且同样使得这些其他的工艺获得由于传质、传热和性能改进带来的技术改善和收益，所述其他的包括气固相/液-液相相互作用工艺的例子包括尾气处理工艺，例如汽车尾气处理和工厂废气处理；化学反应，例如甲醇蒸汽重整反应、氢化反应、氧化反应、氯化反应、磺化反应、烷基化反应、羰基化反应、酯化反应、酯交换反应、催化异构化反应、以及废气的化学吸收；生物工程，例如生物发酵、细菌培养等。

根据本发明的一个实施方式，使用本发明的微反应器进行费-托反应。在该反应中，合成气(一氧化碳和氢气的混合物)在微反应器通道内流动的过程中发生了反应，形成了主要由不同链长的烷烃组成的多种液体，其通过适当的精制步骤转化成含柴油或煤油的合成燃料。在转化过程中，还可能形成烯烃和异构体。烷烃可以液态或气态形式存在。相关反应剧烈放热，通过采用本发明的微反应器可以有效地改善其传热传质的均匀性，从而改善原料转化率和目标产物选择性。

根据本发明一个优选的实施方式，本发明还设计了一种多层状微反应器，其中包括至少一层以上所述的树叶状微通道结构(以下称为树叶状微反应层)，还包括至少一层与该树叶状微反应层直接相邻的换热层，该换热层优选具有与所述树叶状微反应层完全相同并对齐的树叶状微通道结构，但是这两层之间仅经由相邻的层壁发生热交换，而没有流体连通。在反应过程中，树叶状微反应层中填充固体催化剂或者不填充固体催化剂，气态的原料在流经该树叶状微反应层中的微通道的过程中与固体催化剂接触并发生反应，例如如上所述的费托反应；同时在换热层中的树叶状微通道结构内，传热介质液流沿着与树叶状微反应层中物质流动方向相反的方向流动，对树叶状微反应层进行加热或者冷却，将整个反应器的总体问题控制在预期的范围之内。根据一个更优选的实施方式，所述多层状微反应器包括一层至10层(例如1-8层，或者2-5层，或者3-4层，或者在上述任意两个数据组成的范围之内)的树叶状微反应层和1层至11层(例如1-9层，或者2-6层，或者3-5层，或者在上述任意两个数据组成的范围之内)的换热层，每一个树叶状微反应层与一个换热层相互紧邻层叠叠置。

根据本发明的一个实施方式，本发明所述的微反应器(单层反应器以及层叠反应器)还可以包括预热微反应单元，其可以设置在微反应单元的上游或嵌套于微反应单元外侧，用于对反应物进行预热。根据本发明的另一个实施方式，本发明所述的微反应器(单层反应器以及层叠反应器)还可以包括用于反应流体混合以及任选的预反应的微通道装置，其可称作“预混合器”或“预反应器”，其优选具有多个曲折的弯曲构造，以促进物料的混合和接触，所述“预混合器”或“预反应器”的前端具有让反应流体进入的进料口，后端具有出料口。根据本发明的一些实施方式，在所述微反应器入口的上游可以根据需要任选地设置各种不同的设备，例如液体原料罐、泵、阀门、流量计、纯化设备、预热设备、压力控制器。根据本发明的另一些实施方式，在所述微反应器上部的出口的下游可以根据需要任选地设置各种不同的设备，例如产物收集器、纯化设备、整流装置、化学吸收设备、物理吸附设备、尾气监测设备、泵、阀门、流量计、尾气燃烧室、烟囱等等。

根据本发明的另一些实施方式，在所述反应器侧壁周围不同的纵向和横向位置可以根据需要任选地设置各种不同的设备，例如取样端口、阀门、观察窗、压力调节器、温度/压力传感器、挡板、法兰、螺纹、销、翼片，以及它们的任意组合。这些设备可以和反应器一体化形成(例如一起3D打印形成)，也可以是额外安装的。

根据本发明的一个实施方式，本发明的微反应器可以具有任何所需数量的堆叠结构，这些堆叠结构优选设置为彼此呈镜像的形式，其中每一个单独的层可以为板的形式或膜的形式。

根据本发明的一个实施方式，本申请的微反应器中的各单元之间可以设置有可拆卸的连接装置或者一体化的连接装置，优选使用可拆卸的连接装置，以使得本发明的微反应器中的各单元可以在需要时进行更换。例如，本发明的微反应器可以包括两个或者更多个微反应板，每个微反应板优选具有本发明图3所示的结构，这些微反应板可以设置串联或并联的形式。而当需要更换催化剂或更换元件时，通过拆卸连接装置，可简单地更换一个或多个微反应板而无需将整个微反应器拆开，更换速度快，且不易因反复拆卸造成损坏，增加了整个反应器的使用寿命，使得整个反应器可以。

根据本发明的一些实施方式，所述微反应器中可以填充有催化剂材料的颗粒，或者可以在微反应器的内壁上涂覆有催化剂。

根据本发明的一些实施方式，所述微反应器用于实施费托反应，而具体采用的催化剂可以包括但不限于：钴、铁、镍、铑或钌，也可以是含有这些元素的合金、混合物或化合物。在微反应器中进行其他的反应的时候，也可以采用其它相应的催化剂。

根据本发明的一个优选的实施方式，在本发明的微反应器中进行费托反应，将一氧化碳和氢气的混合气体作为原料输入该反应器中，在催化剂和适当条件下作用下生成具有不同碳链长度的液态烃类产物。根据一个优选的实施方式，首先在微反应器的通道内填充催化剂，然后向微反应器中通入氢气和一氧化碳的混合物，优选氢气和一氧化碳体积比0.5：3的混合物，优选地，输入微反应器的原料混合物的流量为0.01-50m³/h，例如0.05-40m³/h，或者0.1-30m³/h，或者0.2-20m³/h，或者0.5-10m³/h，或者0.7-8m³/h，或者0.8-5m³/h，或者0.9-2m³/h，或者1-1.5m³/h，或者1.1-1.3m³/h，或者在以上所述数值范围的任意两个端点组合而成的新的数值范围之内。在反应过程中，整个微反应器的温度保持在220-300℃。

本发明的另一个实施方式提供了一种冷却系统，例如用于常规反应器或者微反应器的冷却系统。根据本发明的一个优选的实施方式，提供了一种冷却系统，该冷却系统包括至少一个如图3所示的层状结构。更优选地，作为冷却系统的所述图3所示的层状结构与至少一层具有完全相同结构的微反应器彼此叠置，优选相互直接接触地叠置，用来在微反应器层中发生反应的同时，经由所述冷却系统对所述微反应器层进行冷却。根据本发明的一个实施方式，所述冷却系统包括用于向其中输入冷却剂的冷却剂输入管线，以及用来从中引出冷却剂的冷却剂输出管线。优选地，通过使用具有本发明图3所示的层状结构的冷却系统，沿着具体的供应通道和/或分配器结构上的哥哥位置在几乎相同的温度下提供几乎相同量的冷却剂。根据本发明一个特别优选的实施方式，一层、两层、三层、四层、五层、六层或七层图3所示的微反应器与一层、两层、三层、四层、五层、六层或七层具有图3所示结构的冷却系统相互叠置，使得处于内部的每一层微反应器的两侧都与两层冷却器相接触，从实现更有效的传热效果。在一个或多个微反应器进行反应的过程中，所述一个或多个冷却器层同时微微反应器进行冷却。优选地，微反应器中反应物料的流动方向与冷却器中冷却剂的流动方向相反。

根据本发明使用的冷却剂优选液体。在最简单的情况下，冷却剂就是水。除此之外，也可以使用其它冷却剂，例如，氨、丁烷、乙二醇、氟氯烃和丙烷。也可以使用本领域技术人员已知的所有其他冷却剂。也可以组合的形式使用两种或更多种所述的冷却剂。

本发明实现的优点如下：

本发明通过上述仿生设计，显著改进了分布装置的传质、传热和传荷效果；显著改进了电极的传荷效果，显著改善反应器的整体传热和传质效果；在作为电极的时候，有效提高电势分布均匀性，增大电流密度，提高电池效率，增加电池电荷容量，并改进安全性；在作为微反应器的时候，显著改善了反应器总体的传质效果和反应效率，进而提高了原料转化率和目标产物选择性；在作为冷却系统使用的时候，可以非常精确地对常规反应器或者微反应器进行极佳的温度稳定性控制。

以上所述的所有的本发明实施方式中的任意两个以上可以任意地互相组合，这些组合也都包括在本发明总体技术构思之内。

实施例

在以下实施例中具体列举了本发明的优选实施方式，但是应当理解，本发明的保护范围不仅限于此。

在以下实施例中，如果记载了“按照与上述某实施例相同的步骤进行操作，区别仅在于……”，则表示采用随后记载的工艺条件和步骤，而其他没有提及的工艺条件和步骤按照引用的之前的实施例的记载。

实施例1：叶片状电极的电势和电流密度分布均匀性的表征

根据如图2所示的构造来组合阳极侧、阴极侧和隔膜以形成电池，其中，阳极侧中的阳极电极以及阴极侧中的阴极电极均具有如图1所示的结构，即根据式I，采用以下参数取值获得的结构：

制得的阳极电极和阴极电极的等效面积为50*50mm。采用3D直接打印Ni合金的电极(SLM方式)，然后通过碱溶实现多孔结构，形成较大的比表面积。电极之间相距0.1～10mm，隔膜采用聚苯并咪唑(m-PBI)，中间密封采用聚四氟乙烯(PTFE)，电解槽外壳采用不锈钢制作。

测试过程中测试电压在1.7V～2.5V间进行调节，电流设定在200～250mA cm^-2。在为电解槽提供电解液的槽中安装热电偶，使电解液的温度保持恒定(80℃)。电解液为30％浓度的KOH水溶液。

采用Comsol软件获得该阳极电极板进行电压和电流分布，在电极板上游一端添加电流的条件下，获得整个阳极电极板的电势分布图(见图5A，电压单位为V)和电流分布图(见图5B单位为A/m²)。从实验结果可以看到，该电极板仅仅在最开始的颈部存在些许的电势梯度和电流梯度，而在树叶状的整个电极内保持了基本均匀不变的电势分布和电流分布。

实施例2：树形结构电极的电势和电流密度分布均匀性的表征

该实施例按照与实施例1相同的条件进行，区别仅仅在于，采用图4所示的树形结构的电极。该电极依据式II，采用以下参数取值获得阳极和阴极电极：

α	β	θ	r<sub>x</sub>	r<sub>y</sub>	r<sub>z</sub>	P	t<sub>x</sub>	t<sub>y</sub>	t<sub>z</sub>
										0	0	0	0.8	0.82	0.9	0.33	0	0	1.0
0	90	90	0.62	0.58	0.73	0.33	0	0	0.80
										0	90	-90	0.59	0.58	0.70	0.34	0	0	0.60

本构型电极尺寸主体部件长度为120毫米，横截面直径为40毫米；一级分支部件的长度为60毫米，一级分支部件横截面直径为30毫米；二级分支部件长度为21毫米，二级分支部件横截面直径为20毫米；三级分支部件的长度为14毫米，三级分支部件的横截面直径为4毫米；所有三级分支部件的末端连接于面积为50*50mm的导电底板。

采用3D直接打印Ni合金的电极，然后通过碱溶实现多孔结构，形成较大的比表面积。电极之间相距0.1～10mm，隔膜采用聚苯并咪唑(m-PBI)，中间密封采用聚四氟乙烯(PTFE)，电解槽外壳采用不锈钢。

在测试过程中，测试电压在1.7V～2.5V的范围内进行调节，电流设定在200～250mA·cm^-2。在为电解槽提供电解液的槽中安装热电偶，使电解液的温度保持恒定(～80℃)。电解液为30％浓度的KOH水溶液。

采用Comsol软件获得该电极板的电压等势分布图，如图6所示。

比较例1：平板电极的电势分布图表征

该实施例按照与实施例1相同的条件进行，区别仅仅在于，采用具有相同面积的普通平板电极进行试验，其电势分布见图7。

电流加载在右上角极耳上，可以看到与实施案例一相比，起电势分布从极耳到左下角有0.2V的差距，电势分布不均匀达到12.5％。这样的电势分布不均匀性容易造成电极板上气泡产生不均匀性，从而导致大气泡包裹着小气泡，使极板有效利用面积降低，使电解效率下降。

实施例3：本发明的微反应器的流速分布表征

在同样的主管径下，采用不同管径的分支管道，并利用Comsol软件对流体速度分布图，如图8A所示。

比较例2-3：主体通道和一级分级通道之间的关系不满足本发明关系的微通道装置的表征。

采用与实施例3相同的方式进行比较例2-3，区别仅在于，其中比较例2的36条次级管道的内径减小至实施例3所采用内径的1/3，比较例3的36条次级管道的内径增大至实施例3所采用内径的1.5倍，比较例2和比较例3的流体速度分布图分别示于图8B和图8C。

实施例3与比较例2-3相比，可以很明显地看到，在比较例2-3中，有一部分等流速曲线延伸入次级通道中，而且在主通道中存在多条不同的流速分布曲线，这表明在这些位置存在显著的流速差异；而实施例3则在整个微通道流体分布装置中实现了更为均匀的流速分布。

Claims (10)

1.一种分布装置，其包括：

主体部件，所述主体部件具有其横截面的主直径R₀和沿纵向的主长度L，并且主长度与主直径R₀之比为2至1,000,000，

从主体部件两侧向外延伸的N1个一级分支部件，其具有其横截面的一级直径r₁和沿纵向的一级长度L₁，并且一级长度与一级直径之比为2至1,000,000，其中，各个一级分支部件之间具有第一间距d1，并且每个一级分支部件与主体部件之间具有第一夹角α1，

任选的，从每个一级分支部件两侧向外延伸的N2个二级分支部件，其具有其横截面的二级直径r₂和沿纵向的二级长度L₂，并且二级长度与二级直径之比为2至1,000,000，其中，从同一个一级分支部件延伸的各二级分支部件之间具有第二间距d2，并且每个二级分支部件与对应的一级分支部件之间具有第二夹角α2，

任选的，从每个二级分支部件两侧延伸的N3个三级分支部件，其具有其横截面的三级直径r₃和沿纵向的三级长度L₃，并且三级长度与三级直径之比为2至1,000,000，其中，从同一个二级分支部件延伸的各三级分支部件之间具有第三间距d3，并且每个三级分支部件与对应的二级分支部件之间具有第三夹角α3，

且满足以下关系式：

2.如权利要求1所述的分布装置，其特征在于，所述主体部件、一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件各自分别是实心的或空心的。

3.如权利要求1或2所述的分布装置，其特征在于，所述一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件中的最低一级分支部件连接于下游主体部件；

所述主体部件包括尾端部，该尾端部从最下游处的一级分支部件根部延伸到所述主体部件的末端，所述末端不与任何下游部件相连，所述尾端部的长度为L/10至L/20。

4.如权利要求1或2所述的分布装置，其特征在于，所述主体部件的长度为120-480毫米，横截面直径为40-80毫米；每一个所述一级分支部件的长度分别为60-120毫米，每一个一级分支部件的横截面直径为30-50毫米，每一个所述一级分支部件与所述主体部件的夹角为30°-120°；每一个所述二级分支部件的长度分别为15-30毫米，每一个二级分支部件的横截面直径为7-18毫米，每一个所述二级分支部件与所述一级分支部件的夹角为30°-120°；每一个所述三级分支部件的长度分别为10-18毫米，每一个三级分支部件的横截面直径为3-9毫米，每一个所述三级分支部件与所述二级分支部件的夹角为30°-120°。

5.如权利要求1或2所述的分布装置，其特征在于，所述分布装置的结构基于下式I或式II，

6.如权利要求1或2所述的分布装置，其特征在于，所述主体部件、一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件各自分别是实心的，该分布装置是电极。

7.如权利要求1或2所述的分布装置，其特征在于，所述主体部件、一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件各自分别是空心的且构成互相流体连通的流体通道，该分布装置是微型反应器。

8.如权利要求1或2所述的分布装置，其特征在于，所述主体部件、一级分支部件、任选的二级分支部件和任选的三级分支部件各自分别是空心的且构成互相流体连通的流体通道，该分布装置是换热装置，制冷剂或加热剂流过所述换热装置中的互相流体连通的流体通道。

9.一种电学设备，该电学设备是原电池或电解池，其包括如权利要求6所述的电极。

10.一种反应设备，该反应设备包括权利要求8所述的分布装置作为换热装置。

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