CN1750871A - 化学反应装置及供电系统 - Google Patents

Abstract

一种化学反应装置，包括一个在其中形成反应流量路径的实心本体；和一个加热器，该加热器具有一个薄膜加热器，并由该薄膜加热器将预定量的热量供应到该反应流量路径，该薄膜加热器形成在该本体上而与该反应流量路径相对，并至少部分地暴露于该反应流量路径。

Description

化学反应装置及供电系统

技术领域

本发明涉及一种化学反应装置和包括这种化学反应装置的供电系统；更特别地，涉及一种化学反应装置，它应用于包括使用燃料来发电的燃料单元的供电系统。

背景技术

在化学反应技术领域已经知道这样的化学反应装置，在其中将各种流化材料混合物供应到流量路径，与放置在流量路径中的催化剂发生化学反应，即催化剂反应，从而生成所需的流体材料。

根据它们的应用，这些化学反应装置具有多种规模和结构。例如，在某些相对小型的化学反应装置中，使用微构形技术在硅基片中形成一个微米级或毫米级的流量路径，其中的微构形技术开发于制造半导体如半导体集成电路的技术中；然后将流体供应到该流量路径，从而产生化学反应。

图25是一个剖开的平面图，表示这种常规化学反应装置的一个例子。图26是沿图25中B-B线所取的一个剖视图。

该化学反应装置包括一个硅基片1。在硅基片1的一个表面上，使用开发于半导体制造技术中的微构形技术来形成一个细微的之字形流量路径2。将用于进行化学反应的各种流体供应到流量路径2中。在流量路径2的内壁表面上，根据需要形成一个用于进行化学反应的催化剂层3。

一个用作罩的玻璃板4堆叠并粘结在硅基片1的一个表面上。在玻璃板4的对应于流量路径2的两个端部的两个预定部分中，形成入口5和出口6。

在硅基片1的另一表面上形成一个依随流量路径2成之字形的薄膜加热器7。如果该化学反应装置中的化学反应(催化剂反应)在预定的加热条件下引发吸热反应，则薄膜加热器7在化学反应时向流量路径2中的催化剂层3供应预定的热能。

如下对具有上述结构的化学反应装置的应用进行说明。

例如，近年来已经广泛开展了将使用燃料单元的供电系统付诸实际应用的研究和开发。具有上述结构的化学反应装置可用于这种使用燃料单元的供电系统中。也就是说，通过这种化学反应装置，可由发电燃料气体产生氢气并供应到燃料单元，并可减小使用燃料单元的供电系统的尺寸。

当薄膜加热器7将流量路径2的内部加热到一个预定温度的时，将上述的发电燃料气体从入口5供应到流量路径2。这使得流量路径2中的催化剂层3发生吸热反应，生成了氢气以及作为副产物的二氧化碳。在这些产物中，只有氢气可通过从氢气中去除二氧化碳来产生。通过将该氢气供应到燃料单元中可产生电能。

在上述常规化学反应装置中，通过向薄膜加热器7供应电能来加热流量路径2的内部。因此，可通过控制供应到薄膜加热器7的电能而相对容易地控制流量路径2中的加热温度。但需要相对较多的电能来进行加热。

另外，由于薄膜加热器7形成在硅基片1的另一表面上，热能通过硅基片1供应到流量路径2中的催化剂层3，同时辐射到周围。这增加了热能损失，并使能量利用恶化。

发明内容

本发明的优点在于，在化学反应装置中，可减少加热所需的能量，并可通过抑制热能损失来提高能量利用，及可精确地控制流量路径中的加热温度；该化学反应装置包括允许反应流体流动的流量路径，并通过加热流量路径内部来完成所需化学反应。

本发明的优点还在于，当将这种化学反应装置应用于使用燃料转化型燃料单元的供电系统时，可减少用于发电而加热所需的能量，并可通过抑制热能损失来提高能量利用，及通过精确地控制用于发电的加热温度来提高发电效率，使供电系统紧凑。

为实现上述优点，根据本发明的第一化学反应装置包括：在其中形成反应流量路径的实心本体；和加热元件，该加热元件包括薄膜加热器，并通过该薄膜加热器将预定量的热量供应到该反应流量路径；其中的薄膜加热器形成在该本体中而面朝该反应流量路径，并至少部分地暴露于该反应流量路径。该化学反应装置至少使用薄膜加热器作为加热元件，该加热元件部分地暴露于反应流量路径。在由薄膜加热器加热反应流量路径的这种结构中，能够减少供应到反应流量路径的热能损失，并提高能量利用。

作为加热元件，化学反应装置还可包括形成在本体中而对应于反应流量路径的燃烧流量路径，该反应流量路径具有形成在其至少一部分中的燃烧催化剂层；并通过由燃烧催化剂层引发的、供应到燃烧流量路径的燃烧流体的燃烧反应，向反应流量路径供应预定量的热能。通过额外地利用燃烧反应加热，可减少供应到薄膜加热器的电能。

为实现上述优点，根据本发明的第二化学反应装置包括：在其中形成反应流量路径的实心本体；加热元件，该加热元件包括至少一个形成在本体中而对应于反应流量路径的燃烧流量路径，该反应流量路径具有形成在其至少一部分中的燃烧催化剂层；并通过由燃烧催化剂层引发的、供应到燃烧流量路径的燃烧流体的燃烧反应，向反应流量路径供应预定量的热能。作为加热元件，该化学反应装置至少包括热能供应单元，该热能供应单元通过在燃烧催化剂层上供应到燃烧流量路径的燃烧流体的燃烧反应，向反应流量路径供应热能。

因此，可通过向燃烧流量路径供应预定的燃烧流体，并通过使用燃烧反应产生的热量加热反应流量路径，来完成所需的化学反应。因此，可减少进行化学反应时外部供应的电能。这样能够提高能量利用，减小使用这种化学反应装置的装置的尺寸，并降低成本。

另外，供应到燃烧流量路径的燃烧流体，主要包括至少含有氧气并供应到第一流量路径的第一流体，和含有氧气的第二流体；或者包含第三流体和第二流体，其中的第三流体通过从排放自第一流量路径的流体中分离和去除氢而制成，第二流体含有氧气；该燃烧流体从供应到第一流量路径的化学反应流体材料产生。由于这样不需要单独供应燃烧流体，能够缩小化学反应装置的尺寸并降低成本。

作为加热元件，化学反应装置可还包括多个基片作为本体，以及薄膜加热器；该薄膜加热器形成在第一基片上而对应于反应流量路径，并由该薄膜加热器向反应流量路径供应预定量的热量。在这种情况下，化学反应装置还包括第二基片；该第二基片覆盖形成于第一基片上的薄膜加热器，并粘结到第一基片的表面上，并在与薄膜加热器相对的表面上具有隔热凹槽。通过除了燃烧反应加热之外还使用薄膜加热器加热，可减小供应到薄膜加热器上的电能，并可完成精确温度控制。因此可以高效地完成化学反应。

另外，根据本发明的化学反应装置可还包括防辐射膜，该防辐射膜覆盖本体的至少一部分最外部表面，以抑制热量从本体的外表面辐射出去，和箱体元件；该箱体元件覆盖本体的全部最外部表面，并在其间有一个隔热空间。以这种方式，可通过抑制热能损失来提高能量利用。

当本发明的化学反应装置应用于包括燃料转化型燃料单元的供电系统时，作为燃料蒸发器，能够向反应流量路径供应作为发电燃料的甲醇水溶液，并通过加热元件蒸发反应流量路径中的所述发电燃料。作为转化单元，能够在反应流量路径中形成一个转化催化剂层，并通过使用加热元件加热反应流量路径对反应流量路径中的发电燃料进行转化，从而产生氢气。作为一氧化碳去除单元，能够在反应流量路径中形成一个选择性氧化催化剂层，并通过使用加热元件加热反应流量路径而从含有一氧化碳的气体混合物中去除一氧化碳。可通过将这些单元产生的氢气供应到燃料单元，并使氢气和氧气相互反应而产生电能。

利用这种结构，能够减小用于发电加热所需的能量，减小能量损失，提高能量利用，并从而缩小供电系统的尺寸。此外，使用同样用作加热元件的薄膜加热器加热，从而可完成精确温度控制。由于这样能够高效完成化学反应，可提高发电效率。

附图说明

图1是本发明化学反应装置的第一实施例的剖开的平面图。

图2是本发明化学反应装置的第一实施例的剖视图。

图3是本发明化学反应装置的第二实施例的剖开的平面图。

图4是本发明化学反应装置的第二实施例的剖视图。

图5是一个剖开的平面图，显示本发明化学反应装置第二实施例中的流量路径的另一种结构。

图6是一个剖视图，显示本发明化学反应装置的一种改进。

图7是一个剖视图，显示本发明化学反应装置被封装的状态。

图8是本发明化学反应装置的第三实施例的剖视图。

图9是本发明化学反应装置的第四实施例的剖视图。

图10是本发明化学反应装置的第五实施例的剖视图。

图11是本发明化学反应装置的第六实施例的剖视图。

图12是本发明化学反应装置的第七实施例的剖视图。

图13是本发明化学反应装置的第八实施例的剖视图。

图14是本发明化学反应装置的第九实施例的剖开的平面图。

图15是本发明化学反应装置的第九实施例的剖视图。

图16是本发明化学反应装置的第十实施例的剖视图。

图17是本发明化学反应装置的第十一实施例的剖视图。

图18是本发明化学反应装置的第十二实施例的剖视图。

图19是本发明化学反应装置的第十三实施例的剖视图。

图20是本发明化学反应装置的第十四实施例的剖视图。

图21是本发明化学反应装置的第十五实施例的剖视图。

图22是一个方块图，显示使用燃料单元的供电系统的结构简图，本发明化学反应装置应用于该燃料单元。

图23是一个示意图，显示应用于燃料单元的聚合物电解液燃料单元的结构，本发明的化学反应装置应用于该燃料单元。

图24是一个示意图，显示使用燃料单元的整个供电系统的实际结构的主要部件，本发明的化学反应装置应用于该燃料单元。

图25是常规化学反应装置的例子的剖开平面图。

图26是常规化学反应装置的例子的剖视图。

具体实施方式

下面在附图中所示实施例的基础上，对根据本发明的化学反应装置和包括该化学反应装置的供电系统进行说明。

<化学反应装置>

(第一实施例)

图1是作为本发明的化学反应装置的第一实施例的剖开的剖视图。图2是沿该化学反应装置的A-A线所取的剖视图。

本发明第一实施例的化学反应装置100包括经薄膜加热器50堆叠并粘结的矩形板状第一和第二基片11和17。第一基片11例如是硅基片，第二基片17例如是玻璃基片。例如，第一基片11的长度约25毫米，宽度约17毫米，厚度约0.6至1毫米。另外，第二基片17的厚度例如约0.7毫米，长度和宽度与第一基片相同。

在第一基片11的一个平面中，形成一个之字形反应流量路径13，该反应流量路径13具有一个预定的沟槽状截面，且在一个表面内具有沟槽的开口端。如果需要，将催化剂层15粘附到反应流量路径13的内壁表面上，即反应流量路径13的侧壁表面和底面上。

在第二基片17的一个平面上，薄膜加热器50形成对应于反应流量路径13的矩形形状。位于第二基片17的一个表面上的薄膜加热器50，装配到位于第一基片11的一个表面上的反应流量路径13的沟槽开口端中，从而利用薄膜加热器50封闭反应流量路径13的开口端。通过这种方式，薄膜加热器50部分暴露于反应流量路径13。注意，薄膜加热器50的形状并不限于矩形，而是同样可以是对应于反应流量路径13形状的之字形。

穿过第二基片17上对应于流量路径13两个端部的两个预定部分，形成入口19和出口20。

具有薄膜加热器50的第二基片17的一个表面，通过阳极粘结和第一基片11的一个表面粘结。

例如，使用光刻技术等形成反应流量路径13，形成具有任意截面形状的沟槽，使沟槽开口端位于第一基片11的一个表面中，从而形成具有如图1中所示之字形图案的流量路径形状。此外，使用化学蒸气沉积等，通过将具有给定厚度(如1至100微米)的铜锌(Cu-Zn)基催化剂附着到沟槽的内壁表面如侧壁表面和底面上，形成催化剂层。

薄膜加热器50的成分没有特别限制。例如，可优选地应用一种包含钽(Ta)、硅(Si)、氧(O)和氮(N)物质成分的化合物Ta_xSi_yO_zN_w。

根据本实施例的化学反应装置具有这样的结构，该结构中的薄膜加热器暴露于反应流量路径。这提高从薄膜加热器供应的热能向反应流量路径和催化剂层的传送，并减少了热能损失。因此，可提高能量利用，提高发生在反应流量路径中的化学反应的反应效率，或者可减少供应预定热能所消耗的电能，即减少向薄膜加热器所充电的电能量。

(第二实施例)

图3是作为本发明的化学反应装置100的第二实施例的剖开的剖视图。图4是沿该化学反应装置100的A-A线所取的剖视图。

第二实施例的化学反应装置100具有彼此邻接的第一和第二基片11和12。该第一和第二基片11、12是由半导体材料如硅制成的矩形板状基片。例如，第一和第二基片11和12通过粘合剂粘合，但它们也可以不用任何粘合剂而简单地彼此紧密接触。第一和第二基片11和12的尺寸，例如长度约25毫米，宽度约17毫米，厚度约0.6至1毫米。

利用在半导体制造技术中开发的微构形技术，在第一基片11的一个表面或上表面和第二基片12的另一个表面或下表面上，分别形成具有基本上半圆形截面的第一和第二微小之字形流量路径13和14。这两个流量路径13和14的尺寸，例如宽度约0.2至0.8毫米，深度约0.2至0.6毫米，总长度约30至1000毫米。

在第一基片11中的流量路径13的内壁表面上，形成用于进行所需化学反应的反应催化剂层15。该反应催化剂层15可形成在流量路径13的整个内壁上，或者也可以局部地形成。本发明并不限于反应催化剂层15形成在流量路径13内壁表面上的这种形式，而是也包括只形成流量路径13而不形成反应催化剂层的这样一种形式。

在第二基片12的流量路径14的内壁表面上，形成燃烧催化剂层16。该燃烧催化剂层16可形成在流量路径14的整个内壁表面上，或者也可以局部地形成。该燃烧催化剂层16由用作燃烧催化剂的金属如Pt、Au或Ag这样的材料制成。

第三和第四基片17和18，都是用作罩、厚度为0.7毫米的矩形板状玻璃基片，且分别堆叠和粘结到第一基片11的一个表面或上表面和第二基片12的另一个表面或下表面上。这种粘结可以是使用粘合剂的粘合，或者通过阳极粘结工艺来完成的粘结。该第三和第四基片17和18的矩形尺寸优选地与第一和第二基片相同。

在第三基片17上对应于流量路径13的两个端部的两个预定部分上，形成在基片17的上表面开口的入口19和出口20。在第四基片18上对应于流量路径14的两个端部的两个预定部分上，形成了在基片18的下表面开口的入口21和出口22。第三基片17的入口19和出口20设置成与第四基片18的入口21和出口22相反。也就是说，如图3中所示，入口19和出口22同心地形成，而出口20和入口21同样同心地形成。

在化学反应装置100中，各种反应流体通过第三基片17的入口19供应到第一基片11的流量路径13中，并通过使用后面说明的燃烧反应的热能加热流量路径13，从而在流量路径13中引发所需的化学反应。生成的反应产物从第三基片17的出口20排出。当化学反应装置100应用于后面说明的使用燃料单元的供电系统的转化单元时，供应作为反应流体、且通过蒸发例如甲醇水溶液而形成的发电燃料气体。在第一流量路径13中引发所需的化学反应，从第三基片17的出口20排出作为反应产物的发电产物(氢气)。

通过第四基片18的入口21，将含有燃烧气体如氢气和从大气中得到的氧气的燃烧流体供应到第二基片12的流量路径14中。所供应的燃烧流体在燃烧催化剂层16上通过燃烧反应进行燃烧，并由该燃烧产生热能。该热能经过第一基片11而加热第一基片11的流量路径13的内部。燃烧反应之后残留的燃烧流体，作为已燃烧气体从第四基片18的出口22排到大气中。

在图3中所示的例子中，形成于第一基片11中的流量路径13和形成于第二基片12中的流量路径14在二维尺寸上相同。但第一和第二流量路径13和14的结构并不限于此。图5显示相对于第一流量路径13的第二流量路径14的另一种布置结构。在这种结构中，流量路径13和14在二维上相互垂直。也就是说，由于形成第二流量路径14以加热第一流量路径13的内部，这两个流量路径13和14优选地如图3中所示在二维尺寸上相同。但这些流量路径13和14在许多部分中只需要二维重叠，因此它们不需要总是二维相同。

下面将介绍应用阳极粘结将第三基片17的另一表面粘结到第一基片11的一个表面上的情况。首先将第三基片17重叠在第一基片11的一个表面上，该第一和第三基片11和17分别用作阳极和阴极。在将第一和第三基片11和17加热到约400到600℃时，在两个电极之间施加约1千伏的DC电压。从而，第三基片17中的阳离子作为杂物从第一基片11中移走，在第三基片17面向第一基片11的界面中出现一个具有高氧离子浓度的层。因此，在第一基片11与第三基片17相对的界面中的硅原子，和第三基片17与第一基片11相对的界面中的氧离子相粘结，从而在两个表面之间形成一个强力粘结的界面。

当基片11和17被加热到位于上述范围内的一个温度并使用具有上述值的DC电压时，第三基片17中作为杂物的阳离子从第一基片11移走的速度提高，因而这些阳离子可以在一个短时间内移开。这缩短了粘结工序所需的时间。当通过上述阳极粘结来粘结第一和第三基片11和17时，可获得强力粘结。此外，由于不需要粘合剂，没有杂物如粘合剂进入第一流量路径13中。

在上面的说明中，第一和第二基片11和12例如是硅基片。但本发明并不限于这种结构。例如，还可以将由能够进行微构形的材料制成的玻璃基片或铝基片用作这些基片。

相似地，在上面的描述中，第三和第四基片17和18例如是玻璃基片，但本发明并不限于这种结构。例如，还可使用由另一种材料如铝制成的基片。

在上述本实施例的化学反应装置中，通过燃烧流体在燃烧催化剂层上的燃烧反应，获得加热而引发所需化学反应而需要的热能。这样不需要供应电能来加热。此外，将一个罩粘结到具有燃烧催化剂层的流量路径上，从而不暴露该流量路径；其中该燃烧催化剂层作为用于加热的热源。由于这样抑制了热量从流量路径向外界的辐射，可提高能量利用。因此能够简化使用该化学反应装置的装置，并使装置紧凑且成本较低。

图6是对本实施例的化学反应装置100的改进。该装置中，如图6中所示，在第三和第四基片17和18的外表面上以及主基片11和燃烧基片12的侧表面上，除第三基片17的入口19和出口20的开口以及第四基片18的入口21和出口22的开口之外，还形成一个防热辐射膜71，从而使用该防热辐射膜71覆盖化学反应装置的外表面。作为防热辐射膜71，可使用由具有高热辐射反射系数的金属材料如Au、Al或Ag制成的膜，或者由金属氧化物如SnO₂、InO₃或ZnO制成的膜。作为形成这种防热辐射膜的方法，可使用以下方法：其中一种方法，用上述金属氧化物涂覆由上述金属材料制成的箔状元件或膜状元件，或者在元件上形成一层金属氧化物膜，将产生的膜粘结到每个基片的外表面上；其中一种方法，使用薄膜形成技术如沉积、喷涂或电镀，在每个基片的外表面上形成由任何上述材料制成的薄膜；或者其中一种方法，通过使用由任何上述材料制成的细微颗粒与适当的溶剂，一起涂覆在每个基片的外表面而形成膜。

防热辐射膜71抑制了热量从化学反应装置100的各基片的外表面向外界的辐射。这样能够减小热能损失，提高能量利用，并缩小化学反应装置的尺寸。

如图6中所示，防热辐射膜71优选地覆盖全部基片的外暴露表面，即化学反应装置的基本上全部的周围表面(除入口和出口的开口之外)。但本发明并不限于这种形式，因而还可根据需要局部地形成这些膜。例如，由于每个基片的侧表面的面积远小于全部外表面的面积，防热辐射膜71还可形成在每个基片上除这些侧表面之外的外表面上。

图7显示当根据本实施例的化学反应装置100应用于任意系统、如后面说明的使用燃料单元的供电系统中时的封装状态的一个例子。化学反应装置100通过支承材料81封装在支承元件80(如外壳或安装框架)内部。支承材料81形成在化学反应装置100例如四个的上下角部中。因此在支承元件80与化学反应装置100之间，除支承材料81的部分之外，形成一个或多个空间82。空间82是隔热空间。可通过密封热传送性低于支承元件80的构件的热传送性的气体，如空气、氟利昂或碳酸气体，而提高隔热性能。还可通过设定一个基本上真空的状态来提高隔热性能。因此，有可能抑制由于热量从形成于化学反应装置100周围表面上的防热辐射膜71传送到周围支承元件80引起的热能的部分泄漏而导致热能损失。因此可以进一步提高能量利用，并可进一步缩小化学反应装置的尺寸。

可用防辐射膜或层来涂覆箱体40的内和/或外表面，用于反射从装置100向外辐射的热量(红外光)，从而可防止或减少热能向外逃逸，即热量损失。

可以理解，图6中所示的使用防热辐射膜涂覆化学反应装置外表面的结构，或图7中所示的环绕化学反应装置形成隔热空间的结构，不仅可用于第二实施例中的化学反应装置，而且可用于下面描述的各实施例的化学反应装置。

(第三实施例)

图8是一个剖视图，显示作为本发明化学反应装置第三实施例的装置。

在第三实施例中，如果供应到第一基片11的第一流量路径13的反应流体含有可燃烧成分，则将该反应流体供应到第三基片17的入口19。此外，作为燃烧流体，将该反应流体以及从大气中得到的氧气供应到第三基片18的入口21。

例如，当化学反应装置100应用于后面所述使用燃料单元的供电系统的转化单元，且作为反应流体而供应通过蒸发甲醇水溶液(CH₃OH+H₂O)而制成的发电燃料气体时，该发电燃料气体含有可燃烧成分(氢气)，因而第三实施例的结构适于应用。因此，可将发电燃料气体供应到第三基片17的入口19，该发电燃料气体以及从大气中得到的氧气可供应到第四基片18的入口21。

第三实施例的结构具有与第二实施例相同的效果。此外，与第二实施例的结构不同，它不必单独供应燃烧气体，这样不需要供应燃烧气体的结构。因此，能够进一步简化使用化学反应装置100的装置，并使装置紧凑并降低成本。

(第四实施例)

图9是与图2相似的一个剖视图，显示作为本发明化学反应装置100的第四实施例的一个装置。

在第四实施例中，在基片外部安装有一个从反应产物中分离可燃烧成分的分离器51。该装置中，如果从第三基片17的出口20排出的反应产物含有可燃烧成分，则将反应产物供应到分离器51，分离器51使将要首先提取的反应产物与可燃烧成分分离。将分离后的可燃烧成分以及从大气中得到的氧气作为燃烧流体供应到第四基片18的入口21。

例如，当化学反应装置100应用于后面所述的使用燃料单元的供电系统的转化单元，且从第三基片17的出口20排出的反应产物含有例如作为可燃烧成分的未反应发电燃料时，将该反应产物供应到分离器51，分离器51使将要首先提取的作为发电产物的氢气与可燃烧成分分离。将分离后的可燃烧成分以及从大气中得到的氧气作为燃烧流体供应到第四基片18的入口21。

如果要提取的发电产物和可燃烧成分中的一种，在室温或更高温度下液化，且它们的沸点不同，则液化分离可用作在分离器51中的一种分离方法。可替换地，还可以使用这样的分离方法，它使用如具有选择性传送能力的分离膜，例如有选择地传送H₂的Pb膜。

第四实施例的结构也具有与第二实施例相同的效果。此外，如第三实施例中那样，可以不必供应燃烧气体，因而不需要供应燃烧气体的结构。因此，可使得使用化学反应装置100的装置紧凑并降低成本。

(第五实施例)

图10是与图2相似的剖视图，显示作为本发明化学反应装置100的第五实施例的一个装置。

第五实施例包括一个形成在第一基片11的流量路径13与第三基片17的出口20之间的分离膜53，和一个通孔52；该通孔52，位于第一基片11和第二基片12中，且形成在第一基片11的流量路径13的出口20与第二基片12的流量路径14的入口21之间，并使这些口20和21彼此联通。

分离膜53具有将可燃烧成分从反应产物中分离的功能。例如，分离膜53可以是有选择地传送氢气H₂的Pb膜。

在从第一基片11的流量路径13出来的反应产物中，经过分离膜53传送的成分如氢气从第三基片17的出口20排出；没有经过分离膜53传送的可燃烧成分引入通孔52中。该可燃烧成分引入第二基片12的流量路径14的入口21中，且与经过第四基片18的入口21从大气中得到的氧气混合。将混合物作为燃烧流体供应到流量路径14。

例如，当化学反应装置100应用于后面所述使用燃料单元的供电系统的转化单元时，在第一流量路径13的出口20的进口处，发电产物的氢传送通过分离膜53，从而将该氢气从出口20排出。发电产物中除氢气之外的成分，没有传送通过分离膜53，而是引入通孔52中，然后引导到第二流量路径14的入口21的出口。该成分与通过第四基片18的入21从大气中得到的氧气混合，从而形成燃烧流体。

可以理解，第五实施例的结构使用分离膜53来代替图9中所示第四实施例的分离器51。因此第五实施例的结构具有与第二实施例相同的效果。此外，如第三实施例中那样，不需要供应燃烧气体，因而不需要用于供应燃烧气体的结构。另外，也不需要第四实施例的结构中的分离器51。由于这样进一步简化了装置，可使装置更加紧凑并降低成本。

(第六实施例)

图11是与图2相似的剖视图，显示作为本发明化学反应装置100的第六实施例的一个装置。

与图10中所示第五实施例的结构相似，第六实施例包括一个通孔52，该通孔52形成在第一基片11的流量路径13的出口20与第二基片12的流量路径14的入口21之间。但第六实施例不包含图10中所示的第三基片17的出口20以及分离膜53。

在该装置中，当反应产物从第一基片11的流量路径13经过通孔52引入第二基片12的流量路径14的入口21，且该反应产物含有可燃烧成分时，反应产物以及通过第四基片18的入21从大气得到的氧气，作为燃烧流体供应到流量路径14。在反应产物中，可燃烧成分在燃烧催化剂层16上通过燃烧反应而燃烧。剩余的反应产物和已燃烧气体从第四基片18的出22排出。

例如，当化学反应装置100应用于后面所述的使用燃烧单元的供电系统的转化单元时，经过通孔52将发电产物从第一基片11的流量路径13引入第四基片18的流量路径14的入口21，该发电产物含有例如作为可燃烧成分的未反应的发电燃料，该发电产物的一部分以及通过第四基片18的入21从大气得到的氧气在燃烧催化剂层16上通过燃烧反应而燃烧，发电产物和已燃烧气体从第四基片18的出22排出。在排出的流体中，至少将已燃烧气体分离，并排放到大气中。

因此第六实施例的结构具有与第二实施例相同的效果。此外，如第三实施例中那样，不需要供应燃烧气体，因而不需要用于供应燃烧气体的结构。另外，也不需要第五实施例的结构中的分离膜53。由于这样进一步简化了装置，可使装置更加紧凑并降低成本。

(第七实施例)

图12是与图2相似的剖视图，显示作为本发明的化学反应装置100的第七实施例的一个装置。

与图10中所示第五实施例的结构相似，第七实施例包括一个形成在第一基片11的流量路径13的出口20面向第三基片17的一侧上的分离膜53，和一个通孔52，该通孔52形成在第一基片11的流量路径13的出20与第二基片12的流量路径14的入口21之间。但第七实施例不包括第四基片18的入口21。如第五实施例中那样，分离膜53具有将可燃烧成分从反应产物中分离的功能。例如，分离膜53是有选择地传送H₂的Pb膜。

该装置中，反应流体以及从大气得到的氧气供应到第三基片17的入口19。在反应产物中的成分，例如经过分离膜53传送的氢气，从第三基片17的出口20排出；没有经过分离膜53传送的可燃烧成分被引入通孔52，然后引到第二基片12的流量路径14。

例如，当化学反应装置100应用于后面所述的使用燃烧单元的供电系统的转化单元时，发电燃烧气体以及从大气得到的氧气供应到第三基片17的入口19。在反应产物中，作为发电产物经过分离膜53传送的氢气，从第三基片17的出口20排出，除氢气之外的成分不经过分离膜53传送。该成分引入通孔52中，然后引到第二基片12的流量路径14而形成燃烧流体。已燃烧气体从出口22排出。

因此，第七实施例的结构具有与第二实施例相同的效果。此外，如第三实施例中那样，不需要供应燃烧气体，因而不需要供应燃烧气体的结构。另外，省去了在第六实施例的结构中用于从大气取得氧气的入口，而将用于反应流体的入口用于该目的。由于这样简化了装置，可使装置更加紧凑并降低成本。

(第八实施例)

图13是与图12相似的剖视图，显示作为本发明的化学反应装置的第八实施例的一个装置。

如图13中所示，与上述每个实施例相似，第八实施例的化学反应装置100包括第一基片11、第二基片12和第五基片61；该第一基片11具有形成在其下表面的第一流量路径13，该第二基片12具有形成在其上表面的第二流量路径14，第五基片61例如是玻璃基片，堆叠并粘结在该第一和第二基片11和12之间。第一基片11的流量路径13形成表面或下表面粘结到第五基片61的一个表面或上表面上，第二基片12的流量路径14形成表面或上表面粘结到第五基片61的另一表面上。在第一基片11上对应于流量路径13的两个端部的两个预定部分，形成有在基片11的上表面开口的入口19和出口20。在第二基片12上对应于流量路径14的两个端部的两个预定部分，形成有在基片12的下表面开口的入口21和出口22。

在上述第一至第七实施例中，化学反应装置100形成一个四层构造。在第八实施例中，化学反应装置100具有一个三层构造。由于这样减小了化学反应装置100的厚度，可减小使用这种化学反应装置的装置的厚度，从而缩小装置的尺寸。

尽管在上面的说明中第五基片61是一个玻璃基片，但本发明并不限于这种结构。例如，也可使用由另一种材料制成的基片如铝基片。本实施例中，可通过改变第五基片61的材料和厚度，来控制从燃烧基片12的流量路径14向主基片11的流量路径13的热传送特性。因此，可以根据所需的热传送特性，来适当地设定第五基片61的材料和厚度。

应该注意，根据第八实施例中具有三层构造的化学反应装置100的结构，也可应用于上述第一至第七实施例的结构。

下面对根据本发明的化学反应装置100的第九至第十五实施例进行说明。这些实施例基于上述的第一至第八实施例，因而相同的参考数字表示具有相同结构的部件，并省略或简化其说明。

(第九实施例)

图14是一个剖开的平面图，显示作为本发明的化学反应装置100的第九实施例的一个装置。图15是沿化学反应装置100的A-A线所取的剖视图。

根据第九实施例的化学反应装置100具有与图3和4中所示第二实施例相同的结构，同样包括一个例如是薄膜加热器的加热元件。

根据第九实施例的化学反应装置100包括第一和第二基片11和12、第三和第四基片17和18、反应催化剂层15、燃烧催化剂层16、入口19和出口20以及入口21和出口22；其中第一和第二基片11和12如硅基片彼此相邻并分别在其中形成之字形流量路径13和14，第三和第四基片17和18如玻璃基片分别通过阳极粘结等粘合(粘结)到第一和第二基片11和12的流量路径形成表面上，反应催化剂层15形成在第一基片11的流量路径13的至少一部分内壁表面中，燃烧催化剂层16形成在第二基片12的流量路径14的至少一部分内壁表面中，入口19和出口20形成在第三基片17上对应于流量路径13的两个端部的两个预定部分中，入口21和出口22形成在第四基片18上对应于流量路径14的两个端部的两个预定部分中。此外，该装置还具有一个形成在第四基片18的另一表面或下表面上的薄膜加热器23，和一个第六基片24，如周边部分粘合到第四基片18的下表面上并在对应于薄膜加热器23的区域中形成凹槽25的约0.7毫米厚的玻璃板。在第六基片24对应于第四基片18的入口21和出口22的这两个预定部分中，形成有在基片24的下表面开口的入口26和出口27。

在化学反应装置100中，如第二实施例中那样，通过第三基片17的入口19将反应流体供应到第一基片11的流量路径13，通过加热流量路径13在流量路径13中引发所需的化学反应，且从第三基片17的出口20排出反应产物。通过第六基片24的入口26和第四基片18的入口21，将含有燃烧气体如氢气和从大气中取得的氧气(空气)的燃烧流体供应到第二基片12的流量路径14。所供应的燃烧流体通过燃烧反应在燃烧催化剂层16上燃烧，从而产生热能。燃烧反应后的残留燃烧流体，作为已燃烧气体通过第四基片18的出口22和第六基片24的出口27排放到大气中。

薄膜加热器23是例如由TaSiO_x或TaSiO_xN制成的电阻。该薄电阻膜通过喷涂等形成。如图12中所示，薄膜加热器23可具有对应于之字形流量路径13和14的形状，即覆盖整个流量路径13和14的矩形形状，或者一些其它形状。薄膜加热器23控制第一基片11的流量路径13的内部加热温度。

除保护薄膜加热器23之外，第六基片24还由于凹槽25的隔热效果而防止热量从薄膜加热器23扩散到外界，从而提高了加热效率。为此，可通过在凹槽25中密封一种导热性能低于第六基片24的气体，如空气、氟利昂或碳酸气体而提高隔热性能。还可通过在凹槽25中设定一个基本上真空的状态而进一步提高隔热性能。

作为加热第一基片11的流量路径13内部的元件，如第二实施例中那样，根据第九实施例的化学反应装置100，包括用于向第二基片12的流量路径14供应燃烧流体并通过燃烧催化剂层16的燃烧反应所产生的热能来加热的机构，还包括通过向薄膜加热器23供应预定电能所产生的热量来加热的机构。通过燃烧反应产生的热量来加热的机构，被用作主加热元件，而使用薄膜加热器的加热元件用作辅助机构。与仅通过薄膜加热器来加热的常规结构相比，这种结构可减少供应到薄膜加热器的电能。

当仅使用利用燃烧反应的加热元件来用作加热元件时，难以完成如精确温度控制或者对环境具有高度响应的温度控制。相反，额外使用了利用薄膜加热器的加热元件的本实施例，能够通过利用燃烧反应的加热元件完成初步加热，用薄膜加热器完成精确温度控制。这样能够减少薄膜加热器的能量消耗，并实现精确温度控制。因此，能够精确地设定所需化学反应的必要温度，并高效地完成化学反应。例如，当本实施例的化学反应装置应用于后面所述使用燃料单元的供电系统时，可提高发电效率。

尽管在上面的说明中，第六基片24例如是玻璃基片，但本发明并不限于这种材料。例如，可根据所需的隔热特性来适当地选择材料。作为例子，可使用铝基片。

在图15中所示的装置中，薄膜加热器23形成在第四基片18的下表面上。但本发明并不限于这种结构，也可在第三基片17的外表面上形成薄膜加热器23。在这种情况下，可在第三基片17的外表面上形成类似于第六基片24的基片。

另外，还可在第三和第四基片17和18的外表面上形成多个薄膜加热器23。在这种情况下，可在第三和第四基片17和18的外表面上形成与第六基片24相似的基片。

可以理解，对于薄膜加热器23和第六基片24的结构的这些修改，不仅适用于第九实施例的化学反应装置，而且适用于下述实施例中的化学反应装置。

(第十实施例)

图16是与图2相似的一个剖视图，显示作为本发明的化学反应装置100的第十实施例的一个装置。

除图8中所示的第三实施例中的结构之外，第十实施例还包括第九实施例中的薄膜加热器23。

在第十实施例的装置中，反应流体供应到第三基片17的入口19，该反应流体以及从大气取得的氧气作为燃烧流体供应到第六基片24的入口26。结果使得，该结构具有与第九实施例相同的效果。此外，由于不需要提供燃烧气体，因而不需要用于供应燃烧气体的结构。因此，可使利用化学反应装置100的装置变得更加紧凑并降低成本。

(第十一实施例)

图17是与图2相似的剖视图，显示作为本发明化学反应装置100的第十一实施例的一个装置。

除图9中所示的第四实施例的结构之外，第十一实施例还包括第九实施例中的薄膜加热器23。

在第十一实施例中，如果从第三基片17的出口20排出的反应产物含有可燃烧成分，则将该反应产物供应到分离器51，分离器51使将要首先提取的反应产物即发电产物与可燃烧成分分离。已分离的可燃烧成分以及从大气中取得的氧气作为燃烧流体供应到第六基片24的入口26。这种结构具有与第九实施例相同的效果。此外，如第十实施例中那样，不需要提供燃烧气体，因而不需要用于供应燃烧气体的结构。因此可使利用化学反应装置的装置变得更加紧凑并降低成本。

(第十二实施例)

图18是与图2相似的一个剖视图，显示作为本发明化学反应装置100的第十二实施例的一个装置。

除图10中所示的第五实施例中的结构之外，第十二实施例还包括第九实施例中的薄膜加热器23。

在第十二实施例的结构中，在第一基片11的流量路径13的出口20，经过分离膜53传送的反应产物的成分如氢气，从第三基片17的出口20排出，没有经过分离膜53传送的反应产物的可燃烧成分引入通孔52中。该可燃烧成分引入第二基片12的流量路径14的入口21中，并与通过第六基片24的入口26和第四基片18的入口21从大气中取得的氧气混合。将混合物作为燃烧流体供应到流量路径14。结果使得，该装置具有与第九实施例相同的效果。此外，如第十实施例中那样，不需要供应燃烧气体，因而不需要用于供应燃烧气体的结构。另外，由于不需要第十一实施例的结构中的分离器51，可以简化装置。因此可使装置更加紧凑并降低成本。

(第十三实施例)

图19是与图2相似的一个剖视图，显示作为本发明化学反应装置100的第十三实施例的一个装置。

除图11中所示的第六实施例的结构之外，第十三实施例还包括第九实施例的薄膜加热器23。

在第十三实施例的结构中，当反应产物通过通孔52从第一基片11的流量路径13引入第二基片12的流量路径14的入口21中，且该反应产物含有可燃烧成分时，反应产物以及通过第六基片24的入口26和第四基片18的入口21从大气中取得的氧气，作为燃烧流体供应到流量路径14。结果使得，该装置具有与第九实施例相同的效果。此外，如第十实施例中那样，不需要供应燃烧气体，因而不需要用于供应燃烧气体的结构。另外，由于不需要第十二实施例的结构中的分离膜53，可以简化装置。因此可使装置更加紧凑并降低成本。

(第十四实施例)

图20是与图2相似的一个剖视图，显示作为本发明化学反应装置100的第十四实施例的一个装置。

除图12中所示第七实施例的结构之外，第十四实施例还包括第九实施例的薄膜加热器23。

在第十四实施例的结构中，反应流体以及从大气取得的氧气供应到第三基片17的入口19。在反应产物中，经过分离膜53传送的成分如氢气，从第三基片17的出口20排出，没有经过分离膜53传送的可燃烧成分引入通孔52中，然后引入第二基片12的流量路径14。结果使得，该装置具有与第九实施例相同的效果。此外，如第十实施例中那样，不需要供应燃烧气体，因而不需要用于供应燃烧气体的结构。另外，从第十三实施例的结构中省去了用于从大气取得氧气的入口，而将用于反应流体的入口用于此目的。因此可以简化装置，并使装置更加紧凑和降低成本。

(第十五实施例)

图21是与图2相似的一个剖视图，显示作为本发明化学反应装置100的第十五实施例的一个装置。

除图13中所示第八实施例的结构之外，第十五实施例还包括第九实施例的薄膜加热器23。

该装置包括一个在其中形成第一流量路径13的第一基片11，一个在其中形成第二流量路径14的第二基片12，和一个堆叠并粘结在第一和第二基片11和12之间的第五基片61。第一基片11的流量路径13形成表面粘结到第五基片61的一个表面上，如图21中所示第二基片12的流量路径14形成表面粘结到第五基片61的另一个表面上。因而，这种结构能够减小化学反应装置100的厚度。相应地，可使利用这种化学反应装置的装置变得薄而紧凑。

在如上所述第九至第十五实施例中的每一个实施例中，在第九实施例中形成于第四基片18外表面上的薄膜加热器23的结构，作为薄膜加热器而增加到前述第二至第八实施例中对应的一个实施例的结构上。但本发明并不限于这些实施例，还可以应用第一实施例中，作为薄膜加热器的薄膜加热器50的结构；该薄膜加热器50粘结到第一基片11的一个表面上，并设计成封闭反应流量路径13。

<供电系统>

下面对本发明的化学反应装置应用于使用燃料转化型燃料单元的供电系统的结构进行说明。

图22是一个方块图，表示使用燃料单元的供电系统30的结构的简图。供电系统30包括一个燃料单元31、燃烧流体单元32、燃料蒸发器33、转化单元34、水转换反应单元35、选择性氧化反应单元36、发电机37和充电器38。在这些单元中，具有上述任何实施例结构的化学反应装置100可应用于燃料蒸发器33、转化单元34、水转换反应单元35和选择性氧化反应单元36。

燃料单元31包括一个在其中密封发电燃料如甲醇水溶液(CH₃OH+H₂O)的燃料包，和一个燃料泵，并将发电燃料供应到燃料蒸发器33。

燃烧流体单元32是一个在其中密封燃烧气体如氢气的缸体，并将该燃烧气体供应到燃料蒸发器33、转化单元34、水转换反应单元35和选择性氧化反应单元36。如第二至第七实施例以及第九至第十四实施例中所述，还可以使用基于发电燃料的一部分气体作为燃烧气体，而不使用燃烧流体单元32。

燃料蒸发器33对从燃料单元31供应的发电燃料进行蒸发。当具有如上述第九实施例的结构的化学反应装置100应用于燃料蒸发器33时，在流量路径13中不形成反应催化剂层15。在燃料蒸发器33中，首先将含有来自燃烧流体单元32的燃烧气体和从大气中取得的氧气(空气)的燃烧流体供应到第二基片12的第二流量路径14中。所供应的燃烧流体经过燃烧催化剂层16，并通过与燃烧催化剂层16的燃烧反应而燃烧。通过这种燃烧产生热能。与此同时，将预定的电能供应到薄膜加热器23而产生热量。该热量和上述的热能将第一基片11的流量路径13内部加热到一个预定温度，如120℃。来自燃料单元31的发电燃料供应到第一基片11的流量路径13中。结果使得，发电燃料在第一流量路径13中蒸发。蒸发的发电燃料气体从出口20排出，并供应到转化单元34。

转化单元34通过对从燃料蒸发器33供应的发电燃料气体进行转化而产生氢气。当具有如上述第九实施例的结构的化学反应装置100应用于转化单元34时，在第一基片11的流量路径13中形成用于转化的反应催化剂层15。反应催化剂层15由转化催化剂如Cu、ZnO或Al₂O₃制成。

在转化单元34中，首先将包含来自燃烧流体单元32的燃烧气体和从大气中取得的氧气(空气)的燃烧流体，供应到第二基片12的第二流量路径14。所供应的燃烧流体在燃烧催化剂层16上通过燃烧反应而燃烧，并通过这种燃烧产生热能。与此同时，将预定的电能供应到薄膜加热器23而产生热量。该热量和上述的热能对第一基片11的流量路径13内部进行加热。发电燃料气体(例如通过蒸发甲醇水溶液而制成的气体)，从燃料蒸发器33供应到第一基片11的流量路径13中，将流量路径13内部加热到一个预定温度，如280℃。这样引发了下述的吸热反应：

            (1)

并产生作为副产物的氢气和二氧化碳。

在该反应的初始阶段，上面公式(1)左侧的水(H₂O)以是燃料单元31中的燃料中所含的水。但也可以收集和使用后面所述的发电机37产生电能时所产生的水。也就是说，公式(1)左侧的、转化单元34中水(H₂O)的供应源可以是只有发电机37，也可以是同时有发电机37和燃料单元31，或者只有燃料单元31。

在反应过程中，有时会如下面所示的化学反应那样在转化单元34中产生一氧化碳，虽然是少量的：

        (2)

在上面公式(2)右侧的产物(氢气和二氧化碳)以及上述少量的一氧化碳从转化单元34的出口20排出。

在从转化单元34的出口20排出的产物中，蒸发的氢气和一氧化碳供应到水转换反应单元35和选择性氧化反应单元36。二氧化碳被分离并排放到大气中。

水转换反应单元35和选择性氧化反应单元36构成一个去除由转化单元34所产生的一氧化碳的一氧化碳去除单元。

当上述例如具有第九实施例的结构的化学反应装置100应用于水转换反应单元35时，在第一基片11的流量路径13中形成一个用于去除一氧化碳的反应催化剂层15。反应催化剂层15由选择性氧化催化剂如Pt或Al₂O₃制成。在水转换反应单元35中，首先将含有来自燃烧流体单元32的燃烧气体和从大气中取得的氧气(空气)的燃烧流体，供应到第二基片12的第二流量路径14。所供应的燃烧流体在燃烧催化剂层16上通过燃烧反应而燃烧，并通过这种燃烧产生热能。与此同时，将预定的电能供应到薄膜加热器23而产生热量。该热量和上述的热能对第一基片11的流量路径13内部进行加热。此外，蒸发的氢气和一氧化碳从转化单元34供应到第一基片11的流量路径13中，以将流量路径13内部加热到一个预定温度，如180℃。因此，在供应到流量路径13的氢气、一氧化碳和水中，一氧化碳和水与催化剂发生水转换反应，如下式所示转变为作为副产物的氢气和二氧化碳：

      (3)

在该反应的初始阶段，上面公式(3)左侧的水(H₂O)可以是燃料单元31中的燃料中所含的水。也可以收集发电机37产生电能时产生的水，并将该水供应到水转换反应单元35。公式(3)左侧的、水转换反应单元35中水的供应源可以是只有发电机37，也可以是同时有发电机37和燃料单元31，或者只有燃料单元31。

选择性氧化反应单元36对从水转换反应单元35中供应的气体混合物进行热处理。如果从水转换反应单元35供应的气体混合物中含有非常少量的一氧化碳，则选择性氧化反应单元36由催化剂选择残留的一氧化碳，并使所选择的一氧化碳与从大气中取得的氧气相接触，从而通过下面所示的化学反应，通过将一氧化碳转变成二氧化碳而可靠地去除一氧化碳：

      (4)

最终到达选择性氧化反应单元36的出口20的流体主要地含有氢气和二氧化碳。

经过一系列反应之后的产物是氢气和二氧化碳。在这些产物中，二氧化碳从氢气中分离并被排放到大气中。相应地，只将氢气供应到发电机37中。

图23显示应用于发电机37的聚合物电解液燃料单元的结构的简图。发电机37具有一个阴极41，该阴极41是其上粘合催化剂如Pt或C的碳电极；一个阳极42，该阳极42是其上粘合催化剂如Pt、Ru或C的碳电极；以及一个设置于阴极41和阳极42之间的离子传送膜43。该发电机37向位于阴极41和阳极42之间的充电器38供电。

在阴极41外部形成一个空间44。将氢气从一氧化碳去除单元供应到该空间44，并将该氢气供应到阴极41。在阳极42外部同样形成一个空间45。将经过止回阀从大气中取得的氧气供应到空间45，并将该氧气供应到阳极42。

在阴极41一侧，如下式所示，通过从氢气中分离电子(e^-)而得到氢离子(质子；H⁺)，并经离子传送膜43移动到阳极42；由阴极41提取电子(e^-)并供应到充电器38：

             (5)

在阳极42一侧，如下式所示，经充电器38供应的电子(e^-)、经过离子传送膜43的氢离子(H⁺)、氧气相互反应，产生作为副产物的水：

    (6)

上述一系列电化学反应(公式(4)和(5))，在一个从室温到约80℃的相对低温的环境中进行，除电能外仅有的副产物是水。该发电机37产生的作为副产物的水被收集。如果如前所述将发电机37产生的至少一部分水供应到如前所述的转化单元34，则可减小最初密封在燃料单元31中的水的量，还可减小将收集的水的量。

这样由发电机37产生的电能将供应到充电器38。

充电器38包括一个电能保存装置，如蓄电池或电容器，用从发电机37供应的电能对该蓄电池或电容器进行充电，从而暂时保存所供应的电能。此外，充电器38还将保存的电能供应到由该供电系统驱动的装置。

目前正研究和开发的应用于燃料转化型燃料单元的燃料，是至少含有氢元素的流体燃料、液化燃料或气体燃料。这种燃料只须是发电机37能够用它以相对较高的能量转化效率产生电能的燃料。除上述甲醇之外，还可以优选地使用乙醇基的液体燃料如乙醇或丁醇，液体燃料如二甲醚、异丁烷，或者在室温和大气压下蒸发并由碳氢化合物制成的天然气(CNG)，或者气体燃料如氢气。

图24是一个示意图，表示当使用燃料单元的供电系统制成一个组件时实际结构的主要部件，其中根据本发明的化学反应装置应用于该燃料单元。图24仅表示本发明化学反应装置的一个应用例，因而根本不对本发明构成限制。

供电系统30A包括一个燃料转化型燃料单元以及图22中方块所示的构件。与图22中相同的参考数字在图24中表示相同的部件，并省略或简化对其的说明。例如，假定该化学反应装置具有如第九至第十四实施例中的任一个所述的结构，其中将基于发电燃料的一部分气体用作燃烧气体，因而不包括燃烧流体单元32。

如图24中所示，供电系统30A例如具有一个等同于一般用途化学单元的圆柱形外形。该外形当然地不限制于此，因而可根据用途、容量等使用另一种适当的形状。

如图24中所示，根据该实际结构的供电系统30A大致分成一个发电单元200和燃料供应单元300。燃料供应单元300对应于图22中所示的燃料单元31，包括一个燃料容器或燃料包310，一个可拆卸地连接着燃料容器310的支架单元320，一个燃料泵(未图示)，等等。燃料包310中填充发电燃料330，并有一个燃料供应阀340，用于防止发电燃料330在与支架单元320相联的部分中泄漏。

当燃料包310与支架单元320连接时，形成于支架单元320中的燃料发送管350向下推动燃料供应阀340，通过表面张力或燃料泵将发电燃料30从燃料供应管360经燃料发送管350发送到发电单元200。

发电单元200包括对应于图22中所示的燃料蒸发器33、转化单元34、水转换反应单元35、选择性氧化反应单元36、发电机37和充电器38的构件。上述任一实施例中所述的化学反应装置100应用于燃料蒸发器33、转化单元34、水转换反应单元35和选择性氧化反应单元36。该装置中，使用例如微加工制造技术形成深度和宽度为500微米或更小的流量路径，从而形成一个微空间。作为每个流量路径的加热元件，该装置包括一个在其中形成燃烧催化剂并在其中供应燃烧流体的流量路径，及一个用于加热的薄膜加热器。

更具体地，如图24中所示，发电机37沿一个圆柱形内壁的内表面延伸，该圆柱形内壁与形成外壳的圆柱形外壁的内侧成一预定间隔地同轴固定。燃料蒸发器33、转化单元34、水转换反应单元35和选择性氧化反应单元36分别形成在燃料蒸发器形成框架210、转化单元形成框架220、水转换反应单元形成框架230和选择性氧化反应单元形成框架240中，其中每个形成框架形成于发电单元200的内部空间中。每个形成框架对应于图5中所示的支承元件80，每个化学反应装置在其间以一个预定间隔形成在一个对应的形成框架中。这些形成框架可通过间壁而彼此分开，或者也可形成其中堆叠燃料蒸发器33、转化单元34、水转换反应单元35和选择性氧化反应单元36的一个框架。可通过在每个形成框架的空间中密封一种导热性能低于形成框架的构成元件的导热性能的气体，如空气、氟利昂或碳酸气体，而提高隔热性能。可通过在该空间中设定一个基本上真空的状态而进一步提高隔热性能。为防止附图的复杂，图22中仅显示单独的形成框架。

充电器38形成为微芯片或类似物，并例如放置于突起端子250中或发电单元200中的另一空间中。

发电单元200包括：多个通风孔(狭槽)260，用于从发电单元200的立柱的圆周表面将外部空气供应到发电机37的阳极42；一个分离/收集单元270，用于液化(冷凝)产生在阳极42上的副产物(如水)，从而分离和收集副产物；一个副产物供应路径280，用于将一部分收集的副产物供应到由转化单元34和水转换反应单元35构成的一氧化碳去除单元；和一个从立柱上表面延伸到发电机37中的空间44的废气孔290，该废气孔290将副产物(如二氧化碳)排放到外界，该副产物是至少在发电机37的燃料电极41、转化单元34和选择性氧化反应单元36中产生并未被收集的物质。

在具有上述结构的供电系统中，本发明任一实施例的化学反应装置100应用于燃料蒸发器33、转化单元34、水转换反应单元35和选择性氧化反应单元36。作为用于化学反应的流量路径的加热元件，该系统包括一个机构，该机构使用由燃烧流体的燃烧催化剂层发生的燃烧反应产生的热能。这样消除了加热所需的能量消耗，并缩小了发电单元200的尺寸。此外，还将使用由薄膜加热器产生的热量进行加热的机构用作加热元件。这样能够进行精确温度控制和高效化学反应，从而提高发电效率。

Claims (54)

1.一种化学反应装置，至少包括：

在其中形成反应流量路径的实心本体；

至少包括薄膜加热器的加热元件，该加热元件将预定量的热量供应到该反应流量路径；其中的薄膜加热器形成在该本体上而与该反应流量路径相对，并至少部分地暴露于该反应流量路径。

2.根据权利要求1所述的化学反应装置，其中

该实心本体包括多个基片；且

在其中形成反应流量路径的所述多个基片中的至少一个基片是硅基片。

3.根据权利要求1所述的化学反应装置，其中在至少一部分反应流量路径中形成反应催化剂层。

4.根据权利要求1所述的化学反应装置，其中

该实心本体包括多个基片；

该反应流量路径制成沟槽，该沟槽具有位于所述多个基片中的第一基片的一个表面中的沟槽开口端；

该薄膜加热器形成在所述多个基片中的第二基片的一个表面上；且

第一基片的所述一个表面与第二基片的所述一个表面相对并彼此粘结。

5.根据权利要求1所述的化学反应装置，其中该加热元件还包括：

形成在本体中而对应于反应流量路径的燃烧流量路径，该反应流量路径具有形成在其至少一部分中的燃烧催化剂层；

向燃烧流量路径供应燃烧流体的燃烧流体供应单元；及

通过在燃烧催化剂层上的燃烧反应向反应流量路径供应热能的热能供应单元。

6.一种化学反应装置，至少包括：

在其中形成反应流量路径的实心本体；

加热元件，该加热元件至少包括：形成在本体中而对应于反应流量路径的燃烧流量路径，该反应流量路径具有形成在其至少一部分中的燃烧催化剂层；向燃烧流量路径供应燃烧流体的燃烧流体供应单元；和通过在燃烧催化剂层上的燃烧反应向反应流量路径供应热能的预定热能供应单元。

7.根据权利要求6所述的化学反应装置，其中

该实心本体包括多个基片；且

在其中形成反应流量路径或燃烧流量路径的所述多个基片中的至少一个基片是硅基片。

8.根据权利要求6所述的化学反应装置，还包括覆盖该本体的至少一部分最外部表面的防热辐射膜。

9.根据权利要求8所述的化学反应装置，其中该防热辐射膜是下列各项中的一个：

由从包括Au、Al和Ag的组中选择的材料制成的金属膜，以及由从包括SnO₂、InO₃和ZnO的组中选择的材料制成的金属氧化物膜。

10.根据权利要求6所述的化学反应装置，还包括覆盖该本体的全部最外部表面的箱体元件，且

其中在该箱体元件与该本体最外部表面之间的至少一部分中形成空间。

11.根据权利要求10所述的化学反应装置，其中该空间处于基本上真空的状态下，或者在该空间中密封一种导热性能低于所述箱体元件的构件的导热性能的气体。

12.根据权利要求1所述的化学反应装置，其中供应到燃烧流量路径的燃烧流体包括氧气。

13.根据权利要求6所述的化学反应装置，其中

第一流体供应到反应流量路径；且

供应到燃烧流量路径的燃烧流体包括所述第一流体和含有氧气的第二流体。

14.根据权利要求6所述的化学反应装置，其中

第一流体供应到反应流量路径；且

供应到燃烧流量路径的燃烧流体包括含有氧气的第二流体，以及第三流体，该第三流体通过从排放自反应流量路径的流体中分离和去除氢气而制成。

15.根据权利要求6所述的化学反应装置，还包括：

形成在对应于反应流量路径的一个端部和另一个端部的部分中的入口和出口；

形成在对应于燃烧流量路径的一个端部和另一个端部的部分中的入口和出口；

形成在反应流量路径的所述另一个端部与反应流量路径的所述出口之间并有选择地传送氢气的分离膜；及

形成在反应流量路径的所述另一个端部与燃烧流量路径的所述一个端部之间的本体中的通孔，其中

将第一流体供应到反应流量路径的入口，

将含有氧气的第二流体供应到燃烧流量路径的入口，及

将第三流体供应到该通孔，该第三流体通过从排放自反应流量路径的所述另一个端部的流体中分离和去除氢气而制成。

16.根据权利要求6所述的化学反应装置，还包括：

形成在对应于反应流量路径的一个端部的部分中的入口；

形成在对应于燃烧流量路径的一个端部和另一个端部的部分中的入口和出口；及

形成在反应流量路径的另一个端部与燃烧流量路径的所述一个端部之间的本体中的通孔，其中

将第一流体供应到反应流量路径的入口；

将从反应流量路径的所述另一个端部排出的流体供应到该通孔；及

将含有氧气的第二流体供应到燃烧流量路径的入口。

17.根据权利要求6所述的化学反应装置，还包括：

形成在对应于反应流量路径的一个端部和另一个端部的部分中的入口和出口；

形成在对应于燃烧流量路径的另一个端部的部分中的出口；

形成在反应流量路径的所述另一个端部与反应流量路径的所述出口之间并有选择地传送氢气的分离膜；及

形成在反应流量路径的所述另一个端部与燃烧流量路径的一个端部之间的本体中的通孔，其中

将第一流体供应到反应流量路径的入口；

将通过分离和去除氢气而制成的第三流体供应到燃烧流量路径的所述一个端部，该氢气来自经过通孔而从反应流量路径的所述另一个端部排出的流体中。

18.根据权利要求6所述的化学反应装置，还包括：

向反应流量路径供应流体的流体供应单元；及

通过使用加热元件而加热反应流量路径内部来蒸发反应流量路径中的流体的蒸发单元。

19.根据权利要求6所述的化学反应装置，其中在至少一部分反应流量路径中形成反应催化剂层。

20.根据权利要求19所述的化学反应装置，其中

所述反应催化剂是转化催化剂；且

该化学反应装置还包括：

向流量路径供应流体的流体供应单元；及

转化单元，该转化单元通过使用加热元件而加热反应流量路径内部来对反应流量路径中的流体进行转化，从而产生氢气。

21.根据权利要求20所述的化学反应装置，其中该流体是甲醇水溶液。

22.根据权利要求19所述的化学反应装置，其中

所述反应催化剂是选择性氧化催化剂，该化学反应装置还包括：

向反应流量路径供应流体的流体供应单元；及

转变单元，该转变单元通过使用加热元件而加热反应流量路径内部来使流体中的一氧化碳转变成反应流量路径中的二氧化碳和氢气。

23.根据权利要求22所述的化学反应装置，其中该流体是氢气和一氧化碳的气体混合物。

24.根据权利要求6所述的化学反应装置，其中该加热元件还包括薄膜加热器，该薄膜加热器形成在本体上而对应于反应流量路径，并将预定量的热量供应到反应流量路径。

25.根据权利要求24所述的化学反应装置，其中

所述实心本体包括多个基片；

所述薄膜加热器形成在所述多个基片中的第一基片上；

第二基片覆盖形成在所述第一基片上的薄膜加热器，并粘结到所述第一基片的表面上。

26.根据权利要求25所述的化学反应装置，其中所述第二基片在与薄膜加热器相对的表面中具有凹槽。

27.根据权利要求26所述的化学反应装置，其中所述凹槽处于基本上真空的状态下，或者在该凹槽中密封一种导热性能低于第二基片的导热性能的气体。

28.一种供电系统，包括：

化学反应装置，该化学反应装置至少包括：在其中形成反应流量路径的实心本体，以及加热元件，该加热元件至少包括薄膜加热器并将预定量的热量供应到该反应流量路径；该薄膜加热器形成在该本体上而与该反应流量路径相对，并至少部分地暴露于该反应流量路径；及

通过使氢气和氧气相互反应而发电的燃料单元；

其中该化学反应装置至少包括：形成在至少一部分反应流量路径中的转化催化剂层；向反应流量路径供应发电燃料的发电燃料供应单元；和转化单元，该转化单元通过使用加热元件加热反应流量路径而对反应流量路径中的发电燃料进行转化，从而产生氢气。

29.根据权利要求28所述的供电系统，其中

该实心本体包括多个基片；且

在其中形成反应流量路径的所述多个基片中的至少一个基片是硅基片。

30.根据权利要求28所述的供电系统，其中在化学反应装置的至少一部分反应流量路径中形成反应催化剂层。

31.根据权利要求28所述的供电系统，其中在该化学反应装置中，

该实心本体包括多个基片；

该反应流量路径制成沟槽，该沟槽在所述多个基片中的第一基片的一个表面上具有沟槽开口端；

该薄膜加热器形成于所述多个基片中的第二基片的一个表面上；且

第一基片的所述一个表面与第二基片的所述一个表面相对并彼此粘结。

32.根据权利要求28所述的供电系统，其中化学反应装置的加热元件还包括：

第三基片；

形成在本体中而对应于反应流量路径的燃烧流量路径，该反应流量路径具有形成在其至少一部分中的燃烧催化剂层；

向燃烧流量路径供应燃烧流体的燃烧流体供应单元；及

通过在燃烧催化剂层上的燃烧反应向反应流量路径供应热能的热能供应单元。

33.一种供电系统，包括：

化学反应装置，该化学反应装置至少包括：在其中形成反应流量路径的实心本体；加热元件，该加热元件至少包括形成在该本体中而对应于反应流量路径的燃烧流量路径，该反应流量路径具有形成在其至少一部分中的燃烧催化剂层；向燃烧流量路径供应燃烧流体的燃烧流体供应单元；和通过在燃烧催化剂层上的燃烧反应向反应流量路径供应热能的预定热能供应单元；及

通过使氢气和氧气相互反应而发电的燃料单元；

其中该化学反应装置至少包括：形成在至少一部分反应流量路径中的转化催化剂层；向反应流量路径供应发电燃料的发电燃料供应单元；转化单元，该转化单元通过使用加热元件加热反应流量路径而对反应流量路径中的发电燃料进行转化，从而产生氢气。

34.根据权利要求33所述的供电系统，其中

该实心本体包括多个基片；且

在其中形成反应流量路径的所述多个基片中的至少一个基片是硅基片。

35.根据权利要求33所述的供电系统，还包括覆盖至少一部分本体最外部表面的防热辐射膜。

36.根据权利要求35所述的供电系统，其中该防热辐射膜是下列各项中的一个：

由从包括Au、Al和Ag的组中选择的材料制成的金属膜，以及由从包括SnO₂、InO₃和ZnO的组中选择的材料制成的金属氧化物膜。

37.根据权利要求33所述的供电系统，还包括一个覆盖该本体的全部最外部表面的箱体元件，且

在该箱体元件与该本体最外部表面之间的至少一部分中形成空间。

38.根据权利要求33所述的供电系统，其中该空间处于一个基本上真空的状态下，或者在该空间中密封一种导热性能低于该箱体元件的构件的导热性能的气体。

39.根据权利要求33所述的供电系统，其中发电燃料是甲醇水溶液。

40.根据权利要求33所述的供电系统，其中

该实心本体包括多个基片；及

在其中形成反应流量路径的所述多个基片中的基片，是由一个基片组成。

41.根据权利要求33所述的供电系统，其中

该实心本体包括多个基片；及

在其中形成反应流量路径的多个基片中的基片，是由至少两个堆叠的基片组成。

42.根据权利要求33所述的供电系统，其中在该化学反应装置中，供应到燃烧流量路径的燃烧流体至少包含氧气。

43.根据权利要求33所述的供电系统，其中在该化学反应装置中，供应到燃烧流量路径的燃烧流体包含发电流体和含有氧气的第二流体。

44.根据权利要求33所述的供电系统，其中在该化学反应装置中，供应到燃烧流量路径的燃烧流体包括含有氧气的第二流体，和第三流体，该第三流体通过从排放自反应流量路径的流体中分离和去除氢气而制成。

45.根据权利要求33所述的供电系统，其中该化学反应装置还包括：

形成在对应于反应流量路径的一个端部和另一个端部的部分中的入口和出口；

形成在对应于燃烧流量路径的一个端部和另一个端部的部分中的入口和出口；

形成在反应流量路径的所述另一个端部与反应流量路径的出口之间并有选择地传送氢气的分离膜；及

形成反应流量路径的所述另一个端部与燃烧流量路径的所述一个端部之间的本体中的通孔，

将发电燃料供应到反应流量路径的入口，

将含有氧气的第二流体供应到燃烧流量路径的入口，及

将第三流体供应到该通孔，该第三流体通过从排放自反应流量路径的所述另一个端部的流体中分离和去除氢气而制成。

46.根据权利要求33所述的供电系统，其中该化学反应装置还包括：

形成在对应于反应流量路径的一个端部的部分中的入口；

形成在对应于燃烧流量路径的一个端部和另一个端部的部分中的入口和出口；及

形成在反应流量路径的另一个端部与燃烧流量路径的所述一个端部之间的本体中的通孔，

将发电燃料供应到反应流量路径的入口，

将从反应流量路径的所述另一个端部排出的流体供应到该通孔；及

将含有氧气的第二流体供应到燃烧流量路径的入口。

47.根据权利要求33所述的供电系统，其中该化学反应装置还包括：

形成在对应于反应流量路径的一个端部和另一个端部的部分中的入口和出口；

形成在对应于燃烧流量路径的另一个端部的部分中的出口；

形成在反应流量路径的所述另一个端部与反应流量路径的出口之间并有选择地传送氢气的分离膜；及

形成在反应流量路径的所述另一个端部与燃烧流量路径的一个端部之间的本体中的通孔，及

将发电燃料供应到反应流量路径的入口，及

将通过分离和去除氢气而制成的第三流体供应到燃烧流量路径的所述一个端部，该氢气来自经过该通孔从反应流量路径的所述另一个端部排出的流体中。

48.根据权利要求33所述的供电系统，其中该化学反应装置还包括通过使用加热元件加热反应流量路径的内部而蒸发反应流量路径中的发电燃料的蒸发单元。

49.根据权利要求33所述的供电系统，其中该化学反应装置还包括：

形成于反应流量路径中的选择性氧化催化剂；

向反应流量路径供应氢气和一氧化碳的气体混合物的气体供应单元；及

一氧化碳去除单元，该一氧化碳去除单元通过使用加热元件加热反应流量路径内部而将气体混合物中的一氧化碳转变成反应流量路径中的至少二氧化碳。

50.根据权利要求33所述的供电系统，其中化学反应装置的加热元件还包括薄膜加热器，该薄膜加热器形成在该本体上而对应于反应流量路径，并将预定量的热量供应到反应流量路径。

51.根据权利要求50所述的供电系统，其中化学反应装置还包括：

该实心本体包括多个基片；

该薄膜加热器形成在所述多个基片中的第一基片上；

第二基片覆盖形成于第一基片上的薄膜加热器，并粘结到第一基片的表面上。

52.根据权利要求51所述的供电系统，其中第二基片在与薄膜加热器相对的表面中具有凹槽。

53.根据权利要求52所述的供电系统，其中该凹槽处于一个基本上真空的状态下，或者在该凹槽中密封一种导热性能低于第二基片的导热性能的气体。

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