TWI785105B - 用於催化燃燒的組合物、方法及設備 - Google Patents

Abstract

提供一種包括氫氣氧化催化劑及氧氣還原催化劑之催化劑組合物。亦提供包括該催化劑之熱交換反應器。該催化劑經調適用於氫氣燃燒反應之低溫活化。

Description

用於催化燃燒的組合物、方法及設備

本發明係關於燃料混合物之催化燃燒。詳言之，本發明係關於清潔燃料混合物之催化燃燒。

已經使用各種燃料以產生能量。傳統上，大部分燃料係源自化石燃料。然而，使用化石燃料可導致二氧化碳及其他溫室氣體排放之產生。存在以下不斷發展之跡象：此等排放可促使人為氣候變化且促使整體空氣品質下降。

回應於此等發現，已經做出努力以將能量來源自化石燃料轉變至源自清潔來源之燃料。舉例而言，燃煤裝置已經於多個國家中停止運轉以便降低排放以提高空氣品質。可例如於發電廠或區域熱電廠中發現此裝置。此等電廠可含有可經轉化供與其他燃料一起使用以產生電力或熱之其他裝置，諸如蒸汽裝置及/或渦輪機。

清潔能量之一種潛在來源為氫氣。氫氣可以多種方式產生，包括蒸汽再形成或電解。當用於電解之電源自清潔來源(諸如核、風、潮汐或太陽)時，所產生之氫氣不導致碳排放之產生。氫氣與氧氣反應以形成水且釋放能量。

此反應已經由燃料電池使用以直接產生電力。然而，諸如膜降解及用於燃料電池之複雜製造製程之因素已經組織採用氫氣作為燃料。亦已經使用氫氣作為內燃機中之燃料。然而，此等系統可能係複雜的且存在對此類系統之安全處理的挑戰。

雖然已經使用催化燃燒系統，但此類系統通常需要複雜或昂貴系統以起始自持反應，諸如預加熱系統。即使當開始自持反應時，此等系統通常受由催化材料消蝕及關於點燃塊狀燃料之問題所致之可用溫度的限制。

存在對用於利用清潔能源之改良系統及方法之需要。

在一態樣中，提供一種包括氫氣氧化催化劑(HOC)；及氧氣還原催化劑(ORC)之催化劑組合物。該催化劑經調適用於氫氣燃燒反應之低溫活化。

在一些實施例中，HOC之表面區域與ORC之表面區域的比率介於約9:1與約4:1之間。在一些實施例中，HOC之表面區域與ORC之表面區域的比率為約20:3。在一些實施例中，HOC及ORC由電沈積形成。在一些實施例中，催化劑經調適以在低於約140℃之溫度下活化氫氣燃燒。在一些實施例中，催化劑經調適以在低於20℃之溫度下活化氫氣燃燒。在一些實施例中，HOC為貴金屬。在一些實施例中，HOC為鉑或鈀。在一些實施例中，HOC為鈀。在一些實施例中，ORC為氧化亞錫。

在一態樣中，提供一種用於塗覆催化劑組合物之製程，該製程包括提供一基板；將催化劑組合物塗覆至基板以形成一催化表面。經塗覆之催化劑組合物包括氫氣氧化催化劑(HOC)及氧氣還原催化劑(ORC)。催化表面經調適用於氫氣燃燒反應之低溫活化。

在一些實施例中，催化表面包括比率介於約9:1與約4:1之間的一HOC區域及一ORC區域。在一些實施例中，HOC區域與ORC區域之比率為約20:3。在一些實施例中，塗覆催化劑組合物包含塗覆HOC及塗覆ORC。在一些實施例中，在塗覆HOC後塗覆ORC。在一些實施例中，塗覆催化劑組合物包括將HOC、ORC或兩者電鍍至基板上。在一些實施例中，塗覆催化劑組合物包括將HOC電鍍至基板上。在一些實施例中，塗覆催化劑組合物包括將HOC電鍍至經HOC塗覆之基板上。在一些實施例中，在塗覆催化劑組合物之前將前驅體塗覆至該基板上，其中該前驅體增強催化劑組合物對基板之黏著。在一些實施例中，前驅體為鎳或銅。在一些實施例中，塗覆前驅體包括將前驅體電鍍至基板上。在一些實施例中，提供一種加熱處理經催化劑塗覆之基板之製程。

在一態樣中，提供一種反應器設備。該設備包括具有用於接收第一流體材料之一入口及一出口之一管道；結合至該管道、包含用於催化燃燒燃料混合物之具有塗覆於其上之催化劑組合物的一催化表面的一加熱元件，該催化劑組合物包括氫氣氧化催化劑(HOC)及氧氣還原催化劑(ORC)；及環繞管道之一殼體，該殼體具有用於接收第二流體材料之一入口及一出口。第一流體材料及第二流體材料中之一者包括燃料混合物且第一流體材料及第二流體材料中之另一者包括熱交換介質。藉由燃料混合物之催化燃燒釋放之能量經轉移至熱交換介質。催化劑組合物經調適以降低燃料混合物之燃燒活化能，使得反應在低溫下發生。

在一些實施例中，燃料混合物包含氫氣及氧氣。在一些實施例中，燃料混合物由氫氣及氧氣組成。在一些實施例中，提供一種用於將燃料混合物接近於加熱元件分佈之分佈器。在一些實施例中，加熱元件進一步包含至少一個散熱片，且催化劑表面之至少一部分在該至少一個散熱片上。

在一態樣中，提供一種用於加熱熱交換介質之方法。將包含燃料及氧化劑之燃料混合物供應至具有一催化加熱元件之一催化反應器。催化加熱元件包括具有氫氣氧化催化劑(HOC)及氧氣還原催化劑(ORC)之一催化表面，且經調適以降低燃料混合物之燃燒的活化能，使得燃燒在低溫下發生。燃料混合物催化燃燒於催化表面上。藉由催化燃燒產生之熱經轉移至熱交換介質。

在一態樣中，提供一種催化燃燒器。燃燒器包括具有如本文中所描述之催化組合物之一催化表面，或藉由如本文所描述之製程製備。

在一態樣中，提供一種用於催化燃燒燃料混合物之方法。將包含燃料及氧化劑之燃料混合物供應至如本文所描述之催化燃燒器或反應器且催化燃燒於催化燃燒器或反應器的一催化表面上。

在一些實施例中，HOC及ORC以在約9:1與約4:1之間的表面區域比率存在於催化表面上。在一些實施例中，HOC及ORC以約20:3之表面區域比率存在於催化表面上。在一些實施例中，燃料為氫氣且氧化劑為氧氣。在一些實施例中，催化燃燒在低於常壓之壓力下發生。

在一態樣中，提供一種包含以下之反應器設備：包含複數個板之一加熱元件，各板包含具有塗覆於其上之催化劑組合物之一催化表面，該催化劑組合物用於催化燃燒燃料，該催化劑組合物包括氫氣氧化催化劑(HOC)及氧氣還原催化劑(ORC)；及與多個板接觸之一管道，該管道包括：用於接收熱交換介質之一入口及一出口；及環繞管道及加熱元件之一殼體，該殼體具有用於接收燃料及氧化劑之一或多個入口；其中藉由燃料催化燃燒釋放之能量經轉移至熱交換介質；且其中催化劑組合物經調適以降低燃料之燃燒的活化能，使得反應在低溫下發生。

在一些實施例中，複數個板經堆疊。在一些實施例中，複數個板為波紋狀。在一些實施例中，管道經定位介於兩個相鄰板之間。在一些實施例中，管道在兩個相鄰板之間迂迴行進。在一些實施例中，介於兩個相鄰板之間的接觸點處提供一內腔或凹槽，該內腔或凹槽用於容納管道。在一些實施例中，相鄰板藉由一接頭構件隔開。在一些實施例中，接頭構件具有用於容納管道之一內腔或凹槽。在一些實施例中，在兩個相鄰板之間提供一燃燒腔室。在一些實施例中，提供用於將燃料及氧化劑分佈至燃燒腔室接近於複數個板之一或多個分佈器。在一些實施例中，一或多個分佈器包含用於分佈燃料之第一分佈器及用於分佈氧化劑之第二分佈器。在一些實施例中，燃料及氧化劑之混合發生於燃燒腔室中。在一些實施例中，催化表面包括比率介於約9:1與約4:1之間的HOC區域及ORC區域。在一些實施例中，HOC區域與ORC區域之比率為約20:3。在一些實施例中，提供在反應器上游且與反應器之熱接觸以用於預加熱熱交換介質或燃料混合物之預熱器。在一些實施例中，熱交換介質包含水。在一些實施例中，能量轉移至水實現汽化以產生蒸汽。在一些實施例中，加熱元件為模組。

在一態樣中，提供一種包含一或多個如本文所描述之反應器或催化燃燒器之催化燃燒系統。

在以下描述中，闡述特定細節以便向熟習此項技術者提供更透徹之理解。然而，熟知元件可能未示出或未詳細描述以避免不必要地混淆本發明。因此，描述及圖式應在說明性意義上而非限制性意義上看待。催化劑組合物

在一態樣中，提供包含氫氣氧化催化劑(HOC)及氧氣還原催化劑(ORC)之催化劑組合物。該催化劑組合物經調適用於氫氣燃燒反應之低溫活化。

在一些實施例中，HOC為分子氫於其表面上解離成氫基團之材料。在一些實施例中，HOC為貴金屬。在一些實施例中，貴金屬為鈀或鉑。在一些實施例中，貴金屬為鈀。

在一些實施例中，ORC為分子氧於其上解離成氧基團之材料。在一些實施例中，ORC為鐵、鋅、銀、銅、錫、其氧化物或其任何組合。在一些實施例中，ORC為SnO₂ 。

在一些實施例中，一旦將分子氫及分子氧引入至催化劑組合物後，則HOC影響分子氫解離成氫基團且ORC影響分子氧解離成氧基團。在催化劑表面將兩個氫基團傳送至氧基團中之一者影響水之形成。整個反應為發熱的且可被視為氫氣之催化燃燒。可將藉由催化氫氣燃燒釋放之能量用於其他用途。在一些實施例中，使用藉由反應釋放之能量以加熱介質。在其他實施例中，反應釋放之能量經變換以用於運行中。

在一些實施例中，催化劑組合物降低氫氣燃燒反應之活化能，使得反應在低溫下發生。舉例而言，可降低反應之活化能使得反應在低於140℃、100℃、50℃、30℃、20℃、15℃或甚至低於10℃之溫度下發生。在一些實施例中，於催化劑表面上發生之氫氣燃燒反應不點燃塊狀分子氫。在此類實施例中，催化燃燒為無焰催化燃燒。

在一些實施例中，HOC及ORC經組態以具有高界面周界。在一些實施例中，HOC之表面區域與ORC之表面區域的比率介於9:1與4:1之間。在一些實施例中，HOC之表面區域與ORC之表面區域的比率為約20:3。在一些實施例中，HOC及ORC之此等表面區域比率提供足夠的催化材料界面周界及量以降低活化反應，使得氫氣燃燒反應可在低溫下進行。

在一些實施例中，參考圖1A及1B，於催化劑100之表面上，HOC形成連續表面區域110且ORC形成非連續表面區域120。在一些實施例中，HOC及ORC經組態以在連續表面區域及非連續表面區域之間增加總界面周界。舉例而言，在減小各非連續表面區域120'之大小的同時增加非連續表面區域之數目導致相同總非連續表面區域之總界面周界增加。

當降低用於催化氫氣燃燒反應之活化能使得反應在低溫下(例如在室溫下)發生時，可僅藉由將氫氣及氧氣引入至催化劑組合物中來起始反應，而無需預加熱或其他起始步驟。藉由移除預加熱，可降低催化劑氫氣燃燒系統之複雜度及成本。此外，預加熱引入不希望的過早氫氣燃燒之潛在風險，該過早氫氣燃燒可產生效率損失或安全問題。催化劑製備

在一些實施例中，根據如下所述之方法製備催化劑組合物。在一些實施例中，催化劑組合物由電鍍形成。

在一態樣中，提供用於製備催化劑組合物之方法200 。參考圖2，製程包括在202 提供基板。在208 ，將催化劑組合物塗覆至基板以形成催化表面。催化劑組合物包括氫氣氧化催化劑(HOC)及氧氣還原催化劑(ORC)。催化表面經調適用於氫氣燃燒反應之低溫活化。

在一些實施例中，催化劑組合物包括HOC區域及ORC區域。在一些實施例中，催化表面包括以在約9:1與約4:1之間的比率存在之HOC區域及ORC區域。在一些實施例中，HOC區域與ORC區域之比率為約20:3。

在一些實施例中，基板為耐氫氣脆化的。在一些實施例中，基板為石墨、陶瓷、奧氏體不鏽鋼、鋁、鋁合金或銅合金。在一些實施例中，基板為石墨、陶瓷、奧氏體不鏽鋼或銅合金。在一些實施例中，基板為石墨或奧氏體不鏽鋼。在一些實施例中，基板為石墨。在一些實施例中，基板為316不鏽鋼。在一些實施例中，基板為導熱體。整個基板上之熱傳導可減少在反應位點處之熱積聚，由此減小熱點之形成。

在一些實施例中，塗覆催化劑組合物包括在208A 塗覆HOC，且在208B 塗覆ORC。在一些實施例中，在塗覆ORC之前塗覆HOC。在一些實施例中，在塗覆HOC之前塗覆ORC。在一些實施例中，HOC及ORC塗覆於單個步驟中。在一些實施例中，塗覆催化劑組合物包括用HOC、ORC或兩者塗佈基板。在一些實施例中，塗佈包括將熔融催化劑材料電鍍或塗覆至基板。在一些實施例中，塗佈包括電鍍。

在一些實施例中，塗覆催化劑組合物導致保護性表面之形成。舉例而言，在一些實施例中，催化劑組合物抑制基板氧化。同樣地，在一些催化劑之塗覆中可允許使用較多種基板材料。

在一些實施例中，塗覆催化劑組合物包括塗覆前驅體或試鍍。在一實施例中，塗覆前驅體包括在塗覆催化劑組合物之前塗覆基礎層。在一些實施例中，基礎層為試鍍。如本文所使用，術語「試鍍」係指塗覆於基板與催化劑之間以用於有助於將催化劑黏結或黏著至基板之層。在一實施例中，試鍍為鎳。在其他實施例中，試鍍為銅、鋅或銅。在塗覆試鍍之此類實施例中，製程包括包括熱處理之一或多個表面處理步驟。

在一些實施例中，基板具有刻花表面。刻花表面可提供催化劑材料至基板上之提高黏著。表面紋理平衡催化劑材料對具有熱傳導及構造要求之基板之黏著。在一些實施例中，基板表面具有約12.5 μm之粗糙度值Ra或N10之ISO粗糙度級別。

在一些實施例中，在塗覆任何催化劑材料之前使基板在204 變粗糙以提供所需紋理化。在一些實施例中，使用機械製程而使基板變粗糙，諸如砂磨、噴砂、銼削、刮擦及滾紋法。

在一些實施例中，在塗覆任何催化劑材料之前或在塗覆催化劑材料期間在206 清潔基板。清潔自基板移除表面雜質以提高催化劑材料之黏著性。在一些實施例中，表面雜質包括油脂、來自機械粗糙化處理之殘餘物或兩者。在一些實施例中，清潔包括電解清潔、用溶劑洗滌或兩者。在一些實施例中，清潔包括化學清潔、超音波清潔或兩者。

在一個較佳實施例中，在塗覆催化劑組合物208 之前將底塗層塗覆207 至基板。在一些實施例中，基礎層為鎳底塗層。在一實施例中，鎳基礎塗層為在3-10V之電壓及2-5A之電流下，使用於硼酸溶劑中之NiCl鹽而電解塗覆至深度在100與500微米之間的底塗層。使用掃描電子顯微鏡(SEM)/能量色散X射線(EDX)而檢驗基板之覆蓋度。較佳地，將基礎層之平滑連續塗層塗覆至覆蓋度高於基板之80%、高於基板之90%、高於基板之95%、高於基板之99%或基板之100%的基板上。鎳基礎層有助於催化劑黏結至基板。在一實施例中，鎳基礎層提高HOC對不鏽鋼基板之黏著，此係由於鎳基礎層對不鏽鋼基板及HOC兩者皆具有強親和力或黏結。在一些實施例中，鎳基礎層大大提高催化劑對反應器之加熱元件板之黏著性且增加材料的壽命。

在其他實施例中，塗覆HOC208A 包括直接用催化劑塗佈基板。在一些實施例中，塗佈包括用HOC電鍍基板。在一些實施例中，電鍍包括將電流施加至浸入於HOC電鍍溶液中之基板，該HOC電鍍溶液包含HOC鹽及溶劑。

在一些實施例中，塗覆HOC包括塗佈具有基礎層塗層之基板。在一實施例中，基礎層為鎳。在一些實施例中，塗佈包括以HOC電鍍經基礎層塗佈之基板。在一些實施例中，電鍍包括將電流施加至浸入於HOC電鍍溶液中之經基礎層塗佈的基板，該HOC電鍍溶液包含HOC鹽及溶劑。

在一些實施例中，HOC鹽為銨或氯化物鹽。在一些實施例中，HOC鹽為氯化銨鈀或氯化鈀。在一些實施例中，鹽為氯化鈀。在一些實施例中，HOC鹽以在約5 mM與約15 mM之間的濃度存在。在一些實施例中，HOC鹽以在約7 mM與約10 mM之間的濃度存在。在一些實施例中，HOC鹽以約8.8 mM之濃度存在。

在一些實施例中，溶劑包括氨水。

在一些實施例中，HOC電鍍溶液包括傳導劑。在一些實施例中，傳導劑包括NaCl。

在一些實施例中，電鍍包括施加在約5 V與約32 V之間的電壓。在一些實施例中，電鍍包括施加在約0.3 A與約3 A之間的電流。在一些實施例中，使電鍍進行約15分鐘。

在一些實施例中，塗覆至基板之HOC之厚度在約100 µm與約1000 µm之間。在一些實施例中，塗覆至基板之HOC之厚度為約250 µm。

在一些實施例中，在電鍍HOC後，基板經處理以穩定HOC。在一些實施例中，穩定性處理包括用電沈積於其上之HOC加熱基板。在一些實施例中，加熱在約100℃之溫度下進行。

在一些實施例中，塗覆ORC208B 包括塗佈基板。在一些實施例中，塗覆ORC包括直接將ORC塗覆至基板。在其他實施例中，塗覆ORC包括將ORC塗覆至經HOC塗佈之基板。在一些實施例中，塗佈包括用ORC電鍍基板。在一些實施例中，電鍍包括將電流施加至浸入於ORC電鍍溶液中之基板，該ORC電鍍溶液包含ORC鹽及溶劑。

在一些實施例中，ORC鹽為氯化物鹽。在一些實施例中，ORC鹽為氯化亞錫。在一些實施例中，ORC鹽以在約5 mM與約10 mM之間的濃度存在。在一些實施例中，ORC鹽以約6.6 mM之濃度存在。

在一些實施例中，鹽藉由將ORC鹽前驅體溶解於溶劑中而產生。在一些實施例中，ORC鹽前驅體為氧化物。在一些實施例中，氧化物為SnO₂ 。

在一些實施例中，溶劑包括鹽酸。在一些實施例中，ORC電鍍溶液藉由將SnO₂ 溶解於HCl中而製備。在一些實施例中，ORC電鍍溶液藉由將1 g之SnO₂ 溶解於800 mL之32% HCl中而製備。

在一些實施例中，電鍍包括施加在約5 V與約32 V之間的電壓。在一些實施例中，電鍍包括施加在約0.3 A與約3 A之間的電流。在一些實施例中，使電鍍進行約7鐘。

在一些實施例中，塗覆至基板之ORC之厚度在約100 µm與約1000 µm之間。在一些實施例中，塗覆至基板之ORC之厚度為約250 µm。

在一些實施例中，在塗覆HOC或ORC後檢驗基板以確認HOC或ORC之覆蓋度。在一些實施例中，使用SEM/EDX檢驗基板。在一些實施例中，若獲得不充足的覆蓋度，則進行HOC或ORC之二次塗覆。在一些實施例中，熱處理(描述如下)導致相對於HOC之ORC之覆蓋度降低。舉例而言，至多40%之基板表面可在ORC之塗覆後由其覆蓋(亦即HOC區域與ORC區域之6:4比率)，僅30%之表面可在熱處理後由ORC覆蓋。在熱處理之前可使用檢測以判定ORC之預熱處理覆蓋度是否足以獲得所需的ORC之後熱處理覆蓋度。同樣地，在一些實施例中，在塗覆催化劑材料後之ORC與HOC之間的目標覆蓋度比率高於在熱處理後之ORC與HOC之間的目標覆蓋度比率。

當進行催化燃燒時，用HOC、ORC或其組合塗佈或電鍍之表面相比於具有塗覆於其上之其顆粒或催化劑顆粒的表面可展現較少的熱點形成。不希望受理論所束縛，且參考圖5A及圖5B，咸信塗覆其顆粒或微粒催化劑510 產生相對小的與底層基板520 接觸之區域。相比而言，電鍍催化劑材料產生薄HOC層530 及塗覆於HOC層上之ORC540 之形成，其中熱易於轉移至基板。當將包括燃料及氧化劑之燃料混合物引入至催化劑表面時，燃料進行燃燒製程，由此釋放熱。若不自催化劑傳送熱，則可產生定域「熱點」，且可導致催化劑自表面消蝕，或導致會引起起火或爆炸之燃料混合物之點燃。藉由增加催化劑與底層基板之間的接觸區域，可較有效地將熱自催化劑轉移，減小熱點之形成。熱之較平均分佈可允許使用較高操作溫度。

在一些實施例中，使具有塗覆於其上之HOC及ORC之基板經受在210 之一或多個表面處理步驟。在一些實施例中，一或多個表面處理步驟包括熱處理。在一些實施例中，熱處理在空氣或N₂ 下發生。在一些實施例中，熱處理在空氣下發生。在一些實施例中，熱處理在將HOC塗覆至基板後、在將ORC塗覆至基板後或在塗覆兩者後進行。在一些實施例中，熱處理包括HOC熱處理及ORC熱處理。

在一些實施例中，HOC之熱處理在穩定性處理後進行。在一些實施例中，HOC之熱處理在約800℃與約1200℃之間的溫度下進行。在一些實施例中，HOC之熱處理在約900℃之溫度下進行。在一些實施例中，在約30分鐘與約4小時之間進行熱處理。在一些實施例中，進行熱處理約一小時。在一些實施例中，熱處理引起塗覆至基板之HOC之退火。在一些實施例中，熱處理引起塗覆至基礎層之HOC之退火。

在一些實施例中，ORC之熱處理在穩定性處理後進行。在一些實施例中，ORC之熱處理在約200℃與約600℃之間的溫度下進行。在一些實施例中，ORC之熱處理在約400℃之溫度下進行。在一些實施例中，在約30分鐘與約4小時之間進行熱處理。在一些實施例中，進行熱處理約一小時。

在一些實施例中，熱處理活化或增加HOC、ORC或兩者之催化活性。在一些實施例中，熱處理活化或增加ORC之活性。在一些實施例中，熱處理影響HOC、ORC或兩者之煅燒。在一些實施例中，塗覆ORC前驅體且熱處理諸如藉由將ORC前驅體轉化成ORC而影響ORC之形成。

在一些實施例中，將錫塗覆至基板，且熱處理影響氧化亞錫之形成。反應器

參考圖3，在一態樣中，提供反應器300 。在一實施例中，反應器為熱交換器。反應器300 包括具有用於接收第一流體材料之入口312 及出口314 之管道310 ；及環繞具有用於接收第二流體材料之入口332 及出口334 之管道310 的殼體330 。第一流體材料及第二流體材料中之一者為燃料混合物。第一流體材料及第二流體材料中之另一者為熱交換介質。管道310 包括具有經安置於其上之催化劑組合物之加熱元件316 ，該催化劑組合物包括氫氣氧化催化劑(HOC)及氧氣還原催化劑(ORC)。加熱元件316 經配置以實現燃料混合物之催化燃燒且將藉由催化燃燒釋放之能量轉移至熱交換介質。在一些實施例中，催化劑組合物降低催化燃燒之活化能，使得其在低溫下發生。

在一些實施例中，催化劑組合物為如上所述之催化劑組合物。在一些實施例中，加熱元件316 包括具有塗覆於其上之HOC及ORC之基板。在一些實施例中，使用如上所述之方法而將HOC及ORC塗覆至基板。在一些實施例中，HOC與ORC之表面區域比率介於約9:1與約4:1之間。在一些實施例中，HOC與ORC之表面區域比率為約20:3。

在一些實施例中，燃料混合物包括燃料及氧化劑。在一些實施例中，燃料包括氫氣、烴材料或其混合物。在一些實施例中，烴材料為再生性烴材料，諸如生物柴油、生物氣體或藻類燃料。在一些實施例中，燃料為氫氣。在一些實施例中，氧化劑包括氧氣、富氧空氣或空氣。在一些實施例中，氧化劑為氧氣。

在一些實施例中，接收燃料混合物之入口包含燃料入口及氧化劑入口。以此方式，燃料混合物不需要經預混合。藉由在反應器引入燃料混合物之組分，可較好地控制燃料混合物之組成。較快速地進行對引入至反應器之燃料混合物之組成的任何改變，此係由於可使傳送延遲降至最低。此外，在無氧化劑與燃料共同存在之情況下，分開傳送燃料及氧化劑可比傳送燃料混合物相對較安全。

在一些實施例中，熱交換介質包括水或氦氣。在一些實施例中，熱交換介質包括或為水。在此類實施例中，燃料混合物之催化燃燒加熱水。在一些實施例中，加熱水以產生蒸汽。藉由熱交換器300 產生之蒸汽可用於各種用途。舉例而言，蒸汽可用於驅動渦輪機以產生電、於區域加熱應用或需要蒸汽之其他應用中提供能量。

在一些實施例中，加熱元件316 之至少一部分與管道310 之表面一體化。在一些實施例中，加熱元件316 之至少一部分經結合至管道310 之表面。

在一些實施例中，加熱元件316 包括複數個散熱片318 。添加散熱片可增加催化氫氣燃燒可在其上進行之表面區域。在一些實施例中，一或多個散熱片有波紋或具有風琴形狀以進一步增加表面區域。在一些實施例中，複數個散熱片318 經結合至管道310 。結合散熱片有助於自散熱片318 將熱傳遞(例如經由傳導)至管道310 及與其接觸之任何材料。舉例而言，在燃料混合物之催化燃燒發生於散熱片318 之表面上之情況下，可經由管道310 將藉由反應釋放之熱轉移至熱交換介質。

在一些實施例中，反應器300 包括用於將燃料混合物接近於加熱元件316 分佈之分佈器320 。將燃料混合物至加熱元件316 可較好地將未燃燒氫氣引入至加熱元件316 之表面。在一些實施例中，分佈器320 經流體耦接至接收燃料混合物之入口(312 或332 )。在一些實施例中，分佈器320 包括複數個鉤形管，各自界定用於將燃料混合物遞送至加熱元件316 之孔口。在一些實施例中，分佈器320 改變遞送至加熱元件316 之不同區之燃料混合物的組成，使得各區配備有個別化燃料混合物。舉例而言，複數個管中之每一者可傳遞獨立燃料混合物。

在一些實施例中，管道310 包括複數個導管322 。以此方式，藉由最大化表面區域與容積之比率而提高熱傳遞至熱交換介質之速率。在一些實施例中，導管322 經配置於單一遍次配置中，由此在管道310 之一端處接收之流體經傳導至另一端。在一些實施例中，導管經配置於多遍次配置中，由此在管道之一端處接收之流體經傳導至另一端且返回至第一端，且視情況持續較多遍次。

在一些實施例中，管道310 接收熱交換介質且殼體330 接收燃料混合物。在此類實施例中，加熱元件316 經安置於管道310 之外部上且曝露於殼體330 之內部容積。藉由燃料混合物之催化燃燒產生之熱經轉移至安置於管道310 內之熱交換介質。

在一些實施例中，燃料混合物之催化燃燒實現殼體330 之加熱。在一些實施例中，與殼體330 之外表面接觸之預熱器340 將藉由燃料混合物的催化燃燒釋放之熱在其引入至管道310 或殼體330 中之前傳遞至燃料混合物或熱交換介質。在一些實施例中，預熱器340 經安置於管道310 之上游且在其引入至上游管道310 中之前預加熱熱交換介質。在一些實施例中，熱交換介質在其引入至中入口之前經加熱至約90℃之溫度。

在一些實施例中，燃料混合物中之未反應燃料經再循環返回至熱交換器中。燃料之再循環減少必須經處理或儲存之未燃燒燃料的量。在一些實施例中，下游冷凝器(未圖示)自燃燒產物移除水。藉由自燃燒產物移除水，經再循環之燃料可含有較少熱稀釋物。熱稀釋物可引起運行溫度之降低或催化表面上之縮合形成的增加，其可減少或抑制燃燒。

在一些燃料為氫氣之彼等實施例中，經組態以用於與其接觸之組分由耐氫氣脆化之材料製成。舉例而言，耐氫氣脆化材料包括奧氏體不鏽鋼、銅、銅合金、鋁、鋁合金及陶瓷。

在一些殼體330 接收燃料混合物之彼等實施例中，殼體內部塗佈有反射性材料以減小或最小化輻射熱損失。在一些實施例中，熱交換器包括環繞殼體之絕熱材料。在一些實施例中，絕熱材料為玻璃絨。

參考圖8，提供具有改良傳導熱傳遞之反應器800 之另一實施例。在一些實施例中，交織加熱器及第一及第二流體材料導管允許較高熱傳遞以及用較大量之流體材料及燃料增量。

反應器800 包括具有用於接收第一流體材料之入口812 及出口814 之管道810 。管道810 經連接至具有經安置於其上之催化劑組合物之加熱元件816 ，該催化劑組合物包括氫氣氧化催化劑(HOC)及氧氣還原催化劑(ORC)。加熱元件816 經配置以實現燃料混合物之催化燃燒且將藉由催化燃燒釋放之能量轉移至熱交換介質。在一些實施例中，催化劑組合物降低催化燃燒之活化能，使得其在低溫下發生。管道810 及加熱元件816 經安置於反應腔室內，該反應腔室藉由殼體830 包覆。殼體830 具有用於接收第二流體材料之一或多個入口。在一實施例中，第一流體材料為熱交換介質，且第二流體材料為燃料及氧化劑。在一些實施例中，第二流體材料為燃料及氧化劑之混合物。在較佳實施例中，及氧化劑分開接收且不預混。在一些實施例中，燃料為一或多種不同類型之燃料之混合物。

在一實施例中，殼體具有用於接收燃料混合物至中反應腔室之一對入口832a 、832b 。在一些實施例中，第二流體材料包括燃料及氧化劑。入口832a 、832b 中之一者用於接收燃料，且另一者用於接收氧化劑。在一些實施例中，燃料為如上所述之燃料。在一些實施例中，熱交換介質為如上所述之熱交換介質。

在一些實施例中，催化劑組合物為如上所述之催化劑組合物。參考圖9，在一些實施例中，加熱元件816 包括具有塗覆於其上之HOC及ORC之複數個水平板950a 、950b 、950c 。在一些實施例中，使用如上所述之方法而將HOC及ORC塗覆至板。在一些實施例中，HOC與ORC之表面區域比率介於約9:1與約4:1之間。在一些實施例中，HOC與ORC之表面區域比率為約20:3。

在一些實施例中，加熱元件816 包括包括波紋狀板之複數個板。在一些實施例中，複數個板中之一些為波紋狀。在一些實施例中，複數個波紋狀板經堆疊。在一些實施例中，管道810 經定位成鄰近於一個板接觸另一個。

在一些實施例中，各板具有包含交替隆脊952 及凹谷954 之橫截面形狀。橫截面形狀之實例包括但不限於：正弦波、人字形、彎曲扇形及鋸齒狀。在較佳實施例中，藉由一或多個接頭956 將各板附著至該相鄰板。在一些實施例中，一或多個接頭保持相鄰板彼此間隔開。在一實施例中，接頭之第一側面經附著至一個板之隆脊頂表面，且該接頭之第二側面經附著至另一板之凹谷底表面。在一些實施例中，各接頭沿板寬向下延伸且包括用於容納管道810 之內腔958 。在一實施例中，接頭由各自具有細長開放通道之兩個接頭構件形成，其中一個經焊接至一個板且另一個經焊接至相鄰板。當兩個板經堆疊時，組合兩個細長開放通道以形成用於容納管道810 之連續內腔958 。 在其他實施例中，接頭具有用於容納管道810 之凹槽。

在一些實施例中，複數個水平板經堆疊且藉由施加例如藉由夾板或螺釘施加之壓縮力而固持在一起。在一些實施例中，複數個水平板及接頭全部藉由施加例如藉由夾板或螺釘施加之壓縮力而固持在一起。在一替代實施例中，複數個水平板及接頭全部經焊接或接合在一起。在又一實施例中，複數個板直接經焊接或接合在一起，而不使用接頭，且包括其中相鄰板接觸或黏結以用於容納管道之細長內腔。

在一些實施例中，當堆疊在一起時複數個板具有例如、蜂巢或花緞圖案之整體橫截面形狀。

在一實施例中，加熱元件具有複數個堆疊在一起之板，各板為近似30 mm乘400 mm。在另一實施例中，加熱元件具有六個堆疊在一起之板，各板為約100 mm乘200 mm。

在一些實施例中，管道810 交織穿過接頭之內腔，在管道自一個內腔延伸出且穿過下一個內腔時形成迴路860 。在一些實施例中，迴路860 延伸超出複數個板之寬度。在一些實施例中，管道經配置於穿過內腔之單一遍次配置中，由此在內腔之一端處接收之流體經傳導至內腔之另一端。在一些實施例中，管道810 經配置於穿過內腔之多遍次配置中，由此在內腔之一端接收之流體經傳導至另一端且返回至第一端，且視情況持續較多遍次。

在一些實施例中，複數個板為平板且各板藉由複數個細長接頭結合至相鄰位置，該等接頭沿板寬向下延伸且保持板間隔開。在此實施例中，接頭包括管道810 交織穿過之內腔。

在一些實施例中，延伸穿過內腔之管道之各片段910 與下一區段間隔距離「w」，其中w至少10 mm、至少20 mm、至少30 mm、較佳至少40 mm。在一個實施例中，w為至少42 mm。在一些實施例中，管道每一列之在其交織於一對板之間時與下一列間隔距離「h」，其中h為至少10 mm、至少15 mm、至少20 mm、較佳至少25 mm。在一實施例中，h為至少26 mm。

在一些實施例中，複數個板與管道810 之表面一體化。在一些實施例中，複數個板之至少一部分經結合至管道810 之表面。

在一些實施例中，反應器800 包括用於將燃料及氧化劑接近於板分佈之分佈器820 。將燃料及氧化劑分佈至板可較好地將未燃燒氫氣引入至板表面。在一些實施例中，分佈器820 經流體耦接至接收燃料及氧化劑之一或多個入口。分佈器沿板寬向下延伸穿過腔室970 ，該腔室970 由一個板之隆脊及另一個板之凹谷界定。在一些實施例中，分佈器820 包括用於將燃料混合物遞送至在板之間形成的腔室970 的孔口。在一些實施例中，分佈器820 具有沿分佈器長度之複數個相同或不同大小的孔口，該分佈器沿板寬向下延伸。在一些實施例中，沿分佈器長度之孔口之大小經改變以考慮到流動速率中之平衡度。舉例而言，較接近分佈器之入口端之孔口小於在分佈器的末端處最遠離入口之孔口。其他大小亦係可能的且未此項技術中之技術人員所知。

在一些實施例中，一對分佈器920a 、920b 經流體耦接至對應接收燃料及氧化劑之對應對入口832a 、832b 。該對分佈器之兩者皆延伸穿過由一個板之隆脊及另一個板之凹谷界定的腔室970 ，由此將燃料及氧化劑皆遞送至腔室970 。在一些實施例中，該對分佈器中之一者經定位較接近或基本在由隆脊972 界定之腔室部分內，且該對分佈器之另一者經定位較接近或基本在由凹谷974 界定之腔室部分內。在一些實施例中，該對分佈器920a 、920b 各自具有沿分佈器長度之複數個相同或不同大小的孔口，該分佈器沿板寬向下延伸。沿該對分佈器中之一者的孔口匹配於縱向位置中且對抗該對分佈器之另一者的相應孔口。燃料及氧化劑氣體亂流地混合物，此係由於其來自相反分佈器饋料管而彼此相遇，形成接著與板之環繞催化表面接觸之燃料-氧化劑混合物。分開引入燃料氧化劑且儘可能晚地將其混合於反應器中之一個優勢為此允許用最小廢料排氣及最大燃料燃燒之較高效燃燒。

在一些實施例中，分佈器具有3-10 mm、5-8 mm、6-7 mm、較佳6.35 mm之直徑。在一些實施例中，孔口具有0.1-2 mm、0.5-1.5 mm、較佳1 mm之大小範圍。其他尺寸亦係可能的。

在一些實施例中，反應器包括分佈器或複數對分佈器之網路以將燃料及氧化劑分佈至在板之間形成的各種腔室。在較佳實施例中，各腔室容納經流體耦接至其自身對應對入口之一對分佈器。在此類實施例中，存在複數對入口及相應複數對分佈器。在一些實施例中，分佈器具有流體耦接至用於接收燃料混合物之入口之開口端；及封閉端。以此方式，經由入口注入之燃料混合物接著經由充當出口之孔口離開。在一些實施例中，該對分佈器各自具有開口端及封閉端及經由其燃料及氧化劑離開之孔口，從而允許燃料與氧化劑在其接觸板表面之前的高度混合。在替代實施例中，該分佈器或該對分佈器交織穿過在板之間形成的各種腔室。

在一些實施例中，反應器為具有其自身殼體、加熱元件、用於熱交換介質之管道及燃料入口之模組單元。在一實施例中，催化燃燒系統包括多個模組反應器。在一實施例中，各反應器模組單元具有具有30個加熱板、直徑400 mm及約1 mm厚之加熱元件。在一些實施例中，催化燃燒系統具有模組反應器之超過3、超過5、超過10或超過20個單元。在一實施例中，催化燃燒系統具有4至6個反應器模組單元。在一實施例中，反應器模組單元組裝成堆疊。提供作為模組之反應器具有多個優勢，包括獨立於其餘模組置換一個模組之能力，以用於維護或修復。

在催化燃燒系統之一些實施例中，管道為用於各反應器模組單元之專用管道。在一些實施例中，催化燃燒系統具有平行或串聯配置之管道網路以將熱交換介質遞送至反應器模組單元中之每一者。在催化燃燒系統包括組裝成堆疊之反應器模組單元之一些實施例中，管道經組態以使得熱交換介質經由位於模組反應器底部處之管道入口引入，且經由位於模組反應器頂部處之管道出口離開。第一堆疊模組反應器之管道出口與第二堆疊模組反應器之管道入口流體連接。以此方式，可基於來自最頂部反應器模組單元之熱交換介質之所需輸出改變催化燃燒系統中的反應器模組單元數目。

在一些實施例中，本文所述之反應器包括複數個加熱元件，各自具有複數個板。在一些實施例中，本文所述之反應器包括模組加熱元件，各模組單元具有複數個板。熱交換

在已知熱交換器中，熱介質通常提供於管道內部且由冷介質圍繞以將熱自介質轉移至冷介質。為了最大化燃料燃燒且同時最大化熱傳遞，如本文中所描述研發改良反應器及催化表面，當冷介質(例如，熱交換介質)提供於由熱介質(例如，塗佈有催化劑組合物之加熱元件)圍繞之管道內部時，其更高效。

此外，當最初啟動熱交換器時，由傳導熱傳遞至熱交換介質所致之早期熱損失可自起始燃燒降低具有塗覆於其上之催化組合物的加熱元件的效果。為了避免顯著延緩或減緩初始溫度增加，本文所述之反應器亦具有在啟動期間藉由將管道交織在板之間且使管道成環超出板寬，使得迴路部分不接觸板而更有效地控制此早期熱損失之優勢。

在一態樣中，提供用於加熱如圖4中所示出之熱交換介質之方法400 。在402 ，催化表面包含氫氣氧化催化劑(HOC)及氧氣還原催化劑(ORC)。催化表面經調適以降低包含燃料及氧化劑之燃料混合物之燃燒活化能，使得燃燒低溫下發生。在404 ，燃料混合物經供應至催化表面。在406 ，燃料混合物於催化表面上燃燒。在408 ，藉由催化燃燒產生之熱經轉移至熱交換介質。

在一些實施例中，HOC及ORC以在約9:1與約4:1之間的表面區域比率存在。在一些實施例中，HOC及ORC以約20:3之比率存在。

在一些實施例中，燃料混合物包括燃料及氧化劑。在一些實施例中，燃料包括氫氣、烴材料或其混合物。在一些實施例中，烴材料為再生性烴材料，諸如生物柴油、生物氣體或藻類燃料。在一些實施例中，燃料為氫氣。在一些實施例中，氧化劑包括氧氣、富氧空氣或空氣。在一些實施例中，氧化劑為氧氣。

在一些實施例中，催化燃燒之燃燒產物包括水。催化表面上之水積聚減少可供催化燃料混合物燃燒使用之表面。在一些實施例中，催化燃燒在低壓下發生。較低壓力可降低水沸點。經降低沸點可藉由增加水汽化之速率而減小催化表面上之液態水積聚。

在一些實施例中，供應燃料混合物包括調節燃料混合物之組成。在一些實施例中，供應燃料混合物包括啟動相404A 、操作相404B 或兩者。

在啟動相404A 期間，催化表面經安置於初始溫度下。在一些實施例中，催化劑表面之初始溫度為低於100℃、50℃、30℃、20℃、15℃或甚至低於10℃。在一些實施例中，在啟動相404A 期間提供之燃料混合物之組成相對富氧。相對富氧燃料混合物可比富燃料混合物在較低溫度下經歷催化燃燒。在一些實施例中，在啟動相期間供應之燃料混合物之氧氣與燃料的比率介於約1:2至約1:1之間。在一些實施例中，在啟動相期間供應之燃料混合物之氧氣與燃料的比率為約11:14。催化燃燒影響催化表面之加熱。在一些實施例中，啟動相持續至多一小時、45分鐘、30分鐘或甚至20分鐘。

參考圖7，在本發明之特定實施例中，燃料混合物經供應至反應器。初始溫度為環境溫度(約25℃)。溫度緩慢上升約10秒直至其達至約35℃，此時溫度開始較快速增加。不希望受理論所束縛，咸信在初始溫度下，能量足以活化反應，但在相對低反應速率下。隨著反應進行，能量藉由發熱催化燃燒反應釋放。此產生溫度之觀測到的增加且提供額外能量，其提高反應速率且導致溫度之較快增加。相比而言，在饋入同燃料混合物之系統中，但其中鈀為類似加熱元件中之唯一催化材料，甚在超過一小時之時間段後，不存在高於環境溫度之溫度之觀測到的增加。

在一些實施例中，一旦催化表面之溫度超過約140℃，則製程進入操作相404B 。在一些實施例中，燃料混合物之組成富燃料。在一些實施例中，使用相對富燃料燃料混合物之催化燃燒可較高操作溫度下出現，此係由於不存在充當熱稀釋物之過量氧化劑。在一些實施例中，在操作相期間供應之燃料混合物之氧氣與燃料的比率介於約2:5至約2:3之間。在一些實施例中，在操作相期間供應之燃料混合物之氧氣與燃料的比率為約3:4。在一些實施例中，在操作相期間之催化燃燒發生於運行溫度為高於300℃、400℃、500℃或甚至600℃之催化表面上。在一些實施例中，運行溫度高於600℃。較高催化表面溫度產生伴隨熱交換介質之較高熱梯度，由此增加轉移至熱交換介質之熱的量。

在一些實施例中，燃料混合物具有有限熱稀釋物或不具有熱稀釋物。舉例而言，空氣為包括氮氣、氧氣及二氧化碳之氣體混合物。空氣中之非氧氣氣體具有有限反應性且可充當吸收一些藉由催化燃燒釋放之熱的熱稀釋劑，使得可藉由燃料混合物之催化燃燒達成之溫度比當燃料混合物包括有限熱稀釋物或不包括熱稀釋物時低。此外，在高操作溫度下氮氣之存在可產生非所要NO_X 之形成。同樣地，在一些實施例中，氧化劑為富氧空氣或氧氣。在一些實施例中，氧化劑為氧氣。

在一些實施例中，催化燃燒在低於常壓之壓力下進行。在一些實施例中，催化燃燒在小於100 kPa、90 kPa、80 kPa、70 kPa、60 kPa或甚至小於50 kPa之壓力下進行。在低於大氣壓力之壓力下，水沸點降低，由此降低催化表面上積聚之似然度。此外，在較低壓力下，可降低塊狀燃料混合物之可燃性，其可產生較高安全性。

在一些實施例中，熱交換介質為水、對流冷卻氦氣迴路、sCO₂ (過熱二氧化碳)。在一些實施例中，熱轉移至水導致蒸汽之形成。可使用蒸汽例如以驅動渦輪機、提供用於區域加熱系統之能量或淡化操作中之能量。

在一些實施例中，催化表面為上文所述之熱交換器之加熱元件表面的至少一部分。在一些實施例中，根據如上所述之方法製備催化表面。在一些實施例中，催化表面包括如上所述之催化劑組合物。

在一態樣中，提供催化燃燒器。催化燃燒器包括催化表面。催化表面包括如上所述之催化組合物或藉由如上所述之製程製備。

在一些實施例中，藉由操作催化燃燒器產生之熱用作熱源以實現運行。在一些實施例中，藉由操作催化燃燒器產生之熱用以驅動渦輪機史特靈引擎，用於空氣調節、區域加熱系統或淡化系統之相位變換操作。舉例而言，在一些實施例中，催化燃燒器併入至反應器300中之加熱元件。在另一實施例中，催化燃燒器為具有經調適以容納史特靈引擎之擴展圓筒的孔的石墨塊。在一些實施例中，藉由操作催化燃燒器產生之熱用以產生蒸汽。舉例而言，催化燃燒器可經整合至如上所述之反應器中。

在一態樣中，提供用於催化燃燒燃料混合物之方法。將包括燃料及氧化劑之燃料混合物供應至如上所述之催化燃燒器且催化燃燒於催化燃燒器的催化表面上。在一些實施例中，以與如上所述之熱交換介質之加熱類似的方式進行催化燃燒，例外為熱並非必需轉移至熱交換介質。實例

實例 1 - 催化劑組合物之製備

自厚度為0.8 mm之316不鏽鋼片切割圓盤。將安裝洞打孔至圓盤中。使用具有30至800個逐漸較精細金屬粒之碳化矽紙張而以機械方式將圓盤表面變粗糙至ISO粗糙度級別N10。

藉由溶解1 g之PdCl於800 mL之30%氨中製備HOC電鍍溶液。以機械方式將類似區域之圓盤及鈀電極懸浮於溶液中且施加30 V下之1 A電流15分鐘。目標係為了獲得厚度為約250 µm之鈀之均一覆蓋度。

一旦完成電鍍則移除圓盤、用蒸餾水沖洗且用精密任務刮器平緩拍乾以移除過量剩餘液體。接著將圓盤烘烤於100℃之工業電爐中約15分鐘以移除殘餘電鍍溶液。

對表面進行目視檢查以確認均一塗佈經施加而無可見基板。若覆蓋度微小，則進行點SEM/EDX檢測。必要時重複電鍍製程。

一旦確認覆蓋度，則在900℃下退火圓盤1小時且接著允許其冷卻至室溫。

藉由溶解1 g之SnO₂ 於800 mL之32% HCl中製備ORC電鍍溶液。

將圓盤以機械方式懸浮於ORC電鍍溶液中且在整個圓盤及類似尺寸之鈀電極上施加3A下之10V電流7分鐘。

一旦完成ORC電鍍，則移除圓盤且用蒸餾水沖洗。重複檢測製程以確認是否將沈積錫電鍍至表面之至少30%。

當確認覆蓋度時，在400℃下退火圓盤1小時。

顯示塗覆至基板之催化劑組合物之SEM/EDX影像提供在圖6A-C處。用以獲得影像之設定如下：

加速：15.0 kV

分辨率：512 x 512像素

觀測解析度：50%

製程時間：5

影像寬度：1.567 mm

混合映射：鈀La1(紅色)、錫La1(綠色)。

實例 2 - 使用催化組合物之催化燃燒

使用如3圖中所示之具有催化組合物之反應器，該催化組合物經塗覆至安置於該反應器中之加熱器。運行系統使得管道接收水且殼體接收燃料混合物。

使用泵而用來自槽之水啟動系統直至其經由開口閥流出蒸汽/水出口。接著封閉水子系統出口閥。降低殼體內部環境中之壓力以獲得約2 kPa(a)之真空。接著經由調節器將氫氣及氧氣引入至內腔且用質量流量控制器控制。最初以約14:11之比率設定流量以遞送氫氣及氧氣。使用一系列熱電偶以監測內部及外部溫度。

參考圖7，內部溫度最初約為25℃。持續約10秒，存在相對減緩的初始溫度增加。在約40℃與60℃之間的溫度下，溫度提高之速率顯著加速。平整溫度在約350℃與400℃之間。

水經循環至子系統中且藉由打開輸出閥而控制蒸汽壓力以維持低於800 kPa之蒸汽壓力。

接著調節燃料混合物流量以增加經遞送之H₂ 量及接著經遞送之O₂ 量，直至真空系統能夠較長久地維持低於約100 kPa(a)之內部壓力。

將溫度增加至約600℃且產生高品質蒸汽。

實例 3 - 使用塗覆於波紋狀加熱板上之催化組合物之催化燃燒

使用如圖8中所示之具有催化組合物之反應器，該催化組合物經塗覆至複數個安置於該反應器中之波紋狀板。運行系統使得管道接收水，且殼體經由兩個分開入口接收氫氣及氧氣。水水啟動系統，且以如以上實例2中所述之類似方式將氫氣及氧氣引入至內腔。

內部溫度最初約為11℃(資料未示出)，且展現與圖7中所示之產生高品質蒸汽的溫度提高量變曲線或趨勢類似溫度提高量變曲線或趨勢。

儘管上文已論述多個例示性態樣及實施例，但熟習此項技術者應認識到某些修改、排列、添加及其子組合係可能的。在以上描述中，出於解釋之目的，闡述大量細節以便提供對本發明之透徹理解。然而，對於熟習此項技術者將顯而易見，並不需要此等特定細節以實踐本發明。儘管針對實施所揭示之實例實施例描述特定尺寸及材料，但可使用在本發明之範疇內之其它合適尺寸及/或材料。咸信所有此類修改及變化形式，包括技術中之所有合適的當前及將來變化均在本發明之領域及範疇內。所有提及之參考文獻均以全文引用之方式併入本文中。

100‧‧‧催化劑110‧‧‧連續表面區域120‧‧‧非連續表面區域120'‧‧‧非連續表面區域300‧‧‧反應器310‧‧‧管道312‧‧‧入口314‧‧‧出口316‧‧‧加熱元件318‧‧‧散熱片320‧‧‧分佈器322‧‧‧導管330‧‧‧殼體332‧‧‧入口334‧‧‧出口340‧‧‧預熱器510‧‧‧顆粒或微粒催化劑520‧‧‧底層基板530‧‧‧薄HOC層540‧‧‧ORC800‧‧‧反應器810‧‧‧管道812‧‧‧入口814‧‧‧出口816‧‧‧加熱元件820‧‧‧分佈器830‧‧‧殼體832a‧‧‧入口832b‧‧‧入口860‧‧‧迴路910‧‧‧片段920a‧‧‧分佈器920b‧‧‧分佈器950a‧‧‧水平板950b‧‧‧水平板950c‧‧‧水平板952‧‧‧隆脊954‧‧‧凹谷956‧‧‧接頭958‧‧‧內腔970‧‧‧腔室972‧‧‧隆脊974‧‧‧凹谷

現將用以下附圖詳細地描述本發明之態樣。

圖 1A 為說明催化劑表面之示意圖，該催化劑表面顯示包括氫氣氧化催化劑之連續相及包括氧氣還原催化劑之不連續相。

圖 1B 為說明催化劑表面之示意圖，該催化劑顯示包括氫氣氧化催化劑之連續相及包括氧氣還原催化劑之不連續相，其中不連續相之總區域與圖1A中所顯示之總區域相同，但具有較大界面周界。

圖 2 為說明用於塗覆根據本發明之實施例之催化劑組合物的製程的方塊圖。

圖 3 為根據本發明之實施例之熱交換器截面的透視圖。

圖 4 為說明用於加熱根據本發明之實施例之熱交換介質的製程的方塊圖。

圖 5A 為說明噴塗至基板上之催化劑顆粒之示意圖。

圖 5B 為說明電鍍至根據本發明之實施例之基板上的催化劑的示意圖。

圖 6A 為顯示鈀及錫存在於基板上之SEM影像，根據本發明之實施例塗佈該基板。

圖 6B 為顯示鈀存在於基板上之SEM影像，根據本發明之實施例塗佈該基板。

圖 6C 為顯示鈀及錫存在於基板上之SEM影像，根據本發明之實施例塗佈該基板。

圖 7 為顯示根據根據本發明之實施例之一種方法操作的系統溫度的曲線圖。

圖 8 為根據本發明之實施例之熱交換器截面的透視圖。示出一對燃料及氧化劑入口。

圖 9 為圖8中所顯示之熱交換器之實施例的加熱元件的截面視圖。

100‧‧‧催化劑

110‧‧‧連續表面區域

120‧‧‧非連續表面區域

Claims (47)

1. 一種催化劑組合物，其包含：連續相，其包括氫氣氧化催化劑(HOC)；及不連續相，其包括氧氣還原催化劑(ORC)；其中該HOC之表面區域與該ORC之表面區域的比率介於約9：1與約4：1之間，且其中該催化劑組合物在低於約140℃之溫度下活化氫氣燃燒反應。
2. 如請求項1之催化劑組合物，其中該HOC之表面區域與該ORC之表面區域的比率為約20：3。
3. 如請求項1之催化劑組合物，其中該HOC及該ORC由電沈積形成。
4. 如請求項1之催化劑組合物，其中該催化劑組合物在低於20℃之溫度下活化氫氣燃燒。
5. 如請求項1之催化劑組合物，其中該HOC為貴金屬。
6. 如請求項5之催化劑組合物，其中該HOC為鉑或鈀。
7. 如請求項6之催化劑組合物，其中該HOC為鈀。
8. 如請求項1之催化劑組合物，其中該ORC為氧化亞錫。
9. 一種用於塗覆催化劑組合物之製程，其包含：提供一基板；將催化劑組合物塗覆至該基板以形成一催化表面，其中該催化劑組合物包含連續相及不連續相，其中該連續相包括氫氣氧化催化劑(HOC)且該不連續相包括氧氣還原催化劑(ORC)；其中該催化表面包括比率介於約9：1與約4：1之間的HOC區域及ORC區域，且其中該催化表面在低於約140℃之溫度下活化氫氣燃燒反應。
10. 如請求項9之製程，其中該HOC區域與該ORC區域之比率為約20：3。
11. 如請求項9之製程，其中塗覆該催化劑組合物包含塗覆該HOC及塗覆該ORC。
12. 如請求項11之製程，其中在塗覆該HOC後塗覆該ORC。
13. 如請求項9之製程，其中該塗覆該催化劑組合物包括將該HOC、該ORC或兩者電鍍至該基板。
14. 如請求項13之製程，其中塗覆該催化劑組合物包括將該HOC電鍍至該基板。
15. 如請求項14之製程，其中塗覆該催化劑組合物包括將該ORC電鍍至該經HOC塗覆之基板上。
16. 如請求項9之製程，其進一步包含在塗覆該催化劑組合物之前將前驅體塗覆至該基板，其中該前驅體增強該催化劑組合物對該基板之黏著性。
17. 如請求項16之製程，其中該前驅體為鎳或銅。
18. 如請求項16之製程，其中塗覆該前驅體包括將該前驅體電鍍至該基板。
19. 如請求項9之製程，其進一步包含熱處理該經催化劑組合物塗覆之基板。
20. 一種反應器設備，其包含：一管道，該管道包括：用於接收第一流體材料之一入口，及一出口；結合至包含催化表面之該管道之一加熱元件，該催化表面具有塗覆於其上之如請求項1至8中任一項之催化劑組合物，該催化劑組合物用於催化燃燒包含燃料及氧化劑之燃料混合物；及環繞該管道之一殼體，該殼體具有用於接收第二流體材料之一入口及一出口； 其中該第一流體材料及該第二流體材料中之一者包括該燃料混合物且該第一流體材料及該第二流體材料中之另一者包括熱交換介質，其中藉由該燃料混合物之該催化燃燒釋放之能量經轉移至該熱交換介質，且其中該催化劑組合物降低該燃料混合物之該燃燒的活化能，使得該燃燒之反應在低於約140℃之溫度下發生。
21. 如請求項20之反應器設備，其中該燃料混合物包含氫氣及氧氣。
22. 如請求項20之反應器設備，其中該燃料混合物由氫氣及氧氣組成。
23. 如請求項20之反應器設備，其進一步包含用於將該燃料混合物接近於該加熱元件分佈之一分佈器。
24. 如請求項20之反應器設備，其中該加熱元件進一步包含至少一個散熱片，且該催化表面之至少一部分在該至少一個散熱片上。
25. 一種反應器設備，其包含：包含複數個板之一加熱元件，各板包含一催化表面，該催化表面具有塗覆於其上之如請求項1至8中任一項之催化劑組合物，該催化劑組合物用於催化燃燒燃料；及與該複數個板接觸之一管道，該管道包括：用於接收熱交換介質之一入口，及 一出口；及環繞該管道及該加熱元件之一殼體，該殼體具有用於接收該燃料及氧化劑之一或多個入口；其中藉由該燃料之該催化燃燒釋放之能量經轉移至該熱交換介質；且其中該催化劑組合物降低該燃料之該燃燒的活化能，使得該燃燒之反應在低於約140℃之溫度下發生。
26. 如請求項25之反應器設備，其中該複數個板經堆疊。
27. 如請求項26之反應器設備，其中該複數個板中之一或多者為波紋狀。
28. 如請求項25之反應器設備，其中該管道經定位介於兩個相鄰板之間。
29. 如請求項28之反應器設備，其中該管道在兩個相鄰板之間迂迴行進。
30. 如請求項25之反應器設備，其進一步包含在介於兩個相鄰板之間的一接觸點處的一內腔或凹槽，該內腔或凹槽用於容納該管道。
31. 如請求項25之反應器設備，其中相鄰板藉由一接頭構件間隔開。
32. 如請求項31之反應器設備，其中該接頭構件具有用於容納該管道之一內腔或凹槽。
33. 如請求項25之反應器設備，其包含介於兩個相鄰板之間的一燃燒腔室。
34. 如請求項33之反應器設備，其進一步包含用於將該燃料及該氧化劑分佈至該燃燒腔室接近於該複數個板之一或多個分佈器。
35. 如請求項34之反應器設備，其中該一或多個分佈器包含用於分佈該燃料之一第一分佈器及用於分佈該氧化劑之一第二分佈器。
36. 如請求項35之反應器設備，其中該燃料及該氧化劑之混合發生於該燃燒腔室中。
37. 如請求項25之反應器設備，其進一步包含在該反應器設備上游且與該反應器設備熱接觸以用於預加熱該熱交換介質或該燃料之一預熱器。
38. 如請求項25之反應器設備，其中該熱交換介質包含水。
39. 如請求項38之反應器設備，其中該能量之轉移至水實現汽化以產生蒸汽。
40. 如請求項25之反應器設備，其中該加熱元件為模組。
41. 一種用於加熱熱交換介質之方法，其包含：供應燃料及氧化劑至具有一催化加熱元件之一催化反應器，該催化加熱元件包括具有連續相及不連續相之一催化表面，其中該連續相包括氫氣氧化催化劑(HOC)且該不連續相包括氧氣還原催化劑(ORC)，其中該HOC及該ORC以介於約9：1與約4：1之間的表面區域比率存在於該催化表面上，且其中該催化表面降低該燃料之燃燒的活化能，使得該燃燒在低於約140℃之溫度下發生；在該催化表面上催化燃燒該燃料；及將藉由該催化燃燒產生之熱轉移至熱交換介質。
42. 如請求項41之方法，其中該HOC及該ORC以約20：3之表面區域比率存在於該催化表面上。
43. 如請求項41之方法，其中該燃料為氫氣且該氧化劑為氧氣。
44. 如請求項41之方法，其中該催化燃燒在低於常壓之壓力下發生。
45. 一種催化燃燒器，其包括一催化表面，該催化表面包括如請求項1所定義或藉由如請求項9之製程製備的催化劑組合物。
46. 一種用於催化燃燒燃料混合物之方法，其包含：將燃料及氧化劑供應至如請求項45所定義之催化燃燒器或如請求項25之反應器設備；及在該催化表面上催化燃燒該燃料混合物。
47. 一種催化燃燒系統，其包含一或多個如請求項40之反應器設備。

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