Un Microreactor para la Producción de Hidrógeno en Aplicaciones de Micro Celdas de combustibleV Ashish. Pattekar y V Mayuresh. othare K, r Asociado Membe, IEEE

Resumen-Un microreactor basado en chip de silicio ha sido fabricado y probado con éxito para llevar a cabo la

reacción de metanol para la reforma de la producción de hidrógeno a microescala.El microreactor desarrollado en combinación con una micro celda de combustible se propone como una alternativa a las fuentes portátiles de electricidad, como baterías debido a su capacidad de proporcionar un suministro ininterrumpido de electricidad, siempre y cuando el suministro de metanol y el agua puede ser proporcionada.La celda de combustible combinado microreformadora tiene la ventaja de no requerir los ciclos de recarga tediosos que necesitan las baterías convencionales de iones de litio recargables.También ofrece densidades de almacenamiento de energía significativamente más altas, que se traduce en "recargas" menos frecuentes a través de la recarga de combustible de metanol.El microreactor consiste en una red de catalizador lleno de microcanales paralelos de profundidades de 200 a 400 m con un filtro de partículas del catalizador cerca de la salida fabricado usando fotolitografía y reactiva de iones profunda grabado (DRIE) sobre un sustrato de silicio.Cuestiones relacionados a microcanal y filtro tapado, en el chip calefacción y la temperatura detección, introducción y captura de catalizador partículas en el microcanales, el flujo de distribución, microfluídica interconexión, y térmica aislamiento han sido dirigida. Experimental se ejecuta han demostrado de metanol a de hidrógeno molar conversión de en por lo menos 85% a 90% a el flujo de las tasas de suficiente a suministro de de hidrógeno a una 8 - a 10-W de combustible l cel.[976]

Índice por términos de células de combustible-, el laboratorio en un chip, las pilas de combustible micro, microfluidos, microreactor, microreformer, el sistema en un chip. .

I. INTRODUCCIÓN Y LITERATURA SurveLa uso de microreactores de in situ y a la carta químicos producción es ganando el aumento importancia como el campo de microreaction de ingeniería madura de el etapa de ser una considera como una teórico concepto a una tecnología con importantes industriales aplicaciones. V arias la investigación grupos h ve un éxito desarrollados microreactores de químicos tramitación de las solicitudes tales como parcial la oxidación de amoniaco [29], nitración [5], fosgeno síntesis [1], multifásico procesamiento [17] y químicas detección [10]. El objetivo de este trabajo es demostrar un sistema microreaction de trabajo para su uso como una fuente constante de combustible de hidrógeno de membrana de intercambio de protones (PEM) de las pilas de combustible a través de el vapor de reformado catalítico de metanol. Una limitación importante en la comercialización con éxito de células de combustible en miniatura como una alternativa a las baterías recargables para el suministro de electricidad a los dispositivos electrónicos portátiles tales como computadoras portátiles y teléfonos móviles ha sido las dificultades y peligros que entraña el almacenamiento y manipulación de hidrógeno, que se utiliza como combustible. Ya sea en forma de gas comprimido o líquido, el hidrógeno presenta riesgos significativos explosión. Además, la densidad del hidrógeno almacenado en comprimidos o en forma líquida es significativamente menor en comparación con el almacenamiento en forma de hidrocarburos líquidos como el metanol, que puede ser reformado para la generación del gas, y cuando sea necesario. Otro método de almacenamiento de hidrógeno en forma de hidruros metálicos [31], [19] se ha discutido en profundidad en la literatura. Sin embargo, la utilización de hidruros de almacenar el hidrógeno sufre de varias desventajas, que incluyen la pérdida de capacidad de almacenamiento de hidrógeno después del uso repetido (vida limitada de funcionamiento de la aleación), el aumento de peso por unidad de cantidad de hidrógeno almacenado (hidruros de metal tienen el peso añadido al total peso del cilindro de almacenamiento), y la dificultad en la extracción de todo el hidrógeno almacenado (histéresis). Además, desde un cilindro de hidruro es un dispositivo de almacenamiento pasivo, una pila de combustible que se suministra con hidrógeno a partir de un envase de hidruro no funcionen correctamente en caso de una demanda de electricidad de alta repentina (por ejemplo, el uso de accesorios varios a la vez en un dispositivo electrónico portátil ) ya que no hay manera de aumentar el tiempo máximo caudal de hidrógeno. Por el contrario, una producción de hidrógeno microreactor podría incorporar sistemas completos de control integrado, que de inmediato aumentaría la tasa de producción basado en la demanda de pilas de combustible mediante el aumento de las tasas de flujo de reactivo. El microreactor desarrollado en combinación con una micro celda de combustible se propone como una alternativa a las fuentes portátiles de electricidad, como baterías debido a su capacidad de proporcionar un suministro ininterrumpido de electricidad, siempre y cuando el suministro de metanol y el agua puede ser proporcionada. Además, la densidad de almacenamiento de energía por unidad de volumen / peso de este sistema es superior a la de las baterías, que se traduce en menor frecuencia de recarga a través de la recarga de combustible de metanol. Aunque ya existe un trabajo considerable en la literatura sobre el vapor de reformado catalítico de metanol para la producción de hidrógeno mediante reactores convencionales [2], [8], [11], [12], el uso de microreactores en metanol in situ la reforma es un

proceso relativamente idea nueva [9], [16], [20], [21], [23], [24], [26], [28], [30].La literatura sobre el vapor de metanol macroescala reforma incluye el análisis de la termodinámica de la reacción [2] para la predicción de la temperatura óptima del reactor y los piensos composiciones, estudios de caracterización del catalizador [11], y los estudios experimentales sobre los reactores experimentales macroescala [12]. Los resultados obtenidos en el estudio de la reforma de metanol en estos reactores convencionales forman una buena base para el desarrollo de microreactores para este fin. El silicio es considerado un buen material para la fabricación de microreactores debido a la alta resistencia de los enlaces Si-Si de lo que resulta en la inercia química y estabilidad térmica del silicio. técnicas bien establecidas de silicio micromecanizado de uso común en la industria de la microelectrónica facilitar la fabricación fácil de microcanales y otras características deseadas en sustratos de silicio, silicio hacer una excelente elección para la fabricación microreactor. En las secciones II a V, se discuten los problemas teóricos y experimentales en el desarrollo de un prototipo de chip de silicio microreformer base. Anteriormente hemos publicado nuestros trabajos preliminares relacionados con la fabricación y el funcionamiento experimental de un prototipo microreformer [26]. El presente trabajo presenta un diseño mejorado de manera significativa en la forma de una red de microcanales paralelos de sección 400 micras X 1000 micras lleno de cobre y óxido de zinc (Cu / ZnO) catalizador de partículas de tamaño adecuado.La configuración de la red en sí misma es tal que el chip del reactor ofrece la conversión necesaria en el flujo neto deseado al tiempo que garantiza la igualdad de IME t residencia en todos los microcanales paralelos.Las partículas del catalizador se encuentran atrapados en los microcanales por un filtro [4] cerca de la salida microreformer, formada con iones reactivos profunda grabado (DRIE) de silicio. líneas de platino en el chip de serpenteo a lo largo de los microcanales servir como calentadores y sensores de temperatura compatible con controladores de temperatura disponibles en el mercado y se utilizan para mantener la temperatura en el ejercicio de corridas experimentales de la microreformer [22]. II. EL PROCESO DE REFORMA DE METANOL(1)

(2)

(3)

El metanol se refiere a la reforma de la reacción química entre el metanol

y vapor de agua

para la producción de hidrógeno

gas || gasolina || gasear Este proceso se realiza típicamente en presencia de catalizadores de óxido de metal a temperaturas que van desde 195

a 260

[2]. Las reacciones químicas que tienen lugar durante el proceso de reforma se resumen como sigue:

La reacción (1) es la reacción principal reforma que le da la conversión estequiométrica de metanol en hidrógeno. Puede ser considerado como el efecto global de las reacciones de descomposición de metanol (2) y la reacción de cambio de agua de gas (3), la cinética relativa de que determinan la cantidad de monóxido de carbono de productos intermedios (CO) formado en el proceso. El control apropiado de metanol a las relaciones de alimentación de agua y la temperatura de operación del reformador y de las condiciones de presión [2] se puede utilizar para reducir al mínimo la cantidad de CO formado en el proceso, sobre todo como una mayor formación de CO disminuye la tasa de producción de hidrógeno y CO también actúa como un veneno para el catalizador de celdas de combustible. Normalmente, el CO no convertidos se convierte en dióxido de carbono

ya sea en un reactor de cambio por separado en agua de gas o de la oxidación de

(Reacción 4) después de separar el hidrógeno de los gases producto que utiliza una membrana selectiva (por ejemplo, hizo de paladio) [14]. La generados

y el exceso de vapor de agua son posteriormente el único de los subproductos del proceso y se puede dejar enfriar la atmósfera:

(4). Los tiempos típicos de residencia (los tiempos de contacto entre los gases de reacción y el catalizador) para la conversión suficiente de metanol en hidrógeno se sabe que son del orden de 500 a 700 milisegundos [13]. Las reacciones son endotérmicas la reforma en la dirección de

producción, es decir, una cierta cantidad de energía térmica tiene que ser suministrada a la red para llevar a cabo las reacciones. Los valores de la carga de calor

por mol de reactivo se convierte

,

y

para las reacciones (1), (2) y (3), respectivamente, con el signo '+' representa una reacción endotérmica y el signo '-' representa una reacción exotérmica. Desde el por encima de discusión, que puede se visto que varias reacción de ingeniería cuestiones necesidad de a se considera en el diseño de la propuesta microcanal r Reforme. Estos incluyen general o fl tasa w y la presión caída consideraciones, mínimo residencia veces para buena co n la versión en el deseada fl w o tasa, óptima la temperatura de funcionamiento y la presión de máximo

rendimiento, y las necesidades de energía durante el el microreactor operación para el mantenimiento de la operativo temperatura. El método de fabricación de el microreactor utilizando convencionales de procesamiento de silicio técnicas se describe en Sección III seguido por detallada teórico análisis de el diseño a ilustran algunos de el reacción principios de ingeniería se describe en Sección IV. Resultados de el funcionamiento de los el fabricados microreactor se presentado en Sección V. III. PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓNMicrocanal A. Fabricación de dispositivosMicrocanales de profundidad entre 200 micras y 400 micras y el ancho de 1.000 micras son fabricados en 1000 micras de grosor de silicio usando fotolitografía sustratos seguido de DRIE. Una capa fotosensible de hasta 10 m de espesor (Shipley 1045, solo / doble capa) se usa como máscara para el grabado de pistas [DRIE ver fig. 1 (a)]. Un filtro para atrapar partículas del catalizador es también fabricado aguas abajo cerca de la salida de microcanal con DRIE. El filtro obtenido después del proceso de grabado se presenta en forma de varios 80 - gruesos muros paralelos, separados 20 micras micras aparte orientado paralelamente a la dirección en la que el líquido fluya en los canales durante el funcionamiento del dispositivo real. El canal lateral de la oblea de silicio se procesa posteriormente alineados y anódico unido a una oblea de pyrex(Espesor de 1,8 mm) con mecánica agujeros perforados en las posiciones precisas que corresponden a la entrada y salida de los canales [ver fig. 1 (b)] para obtener conductos microcanal encerrada entre el vidrio y las superficies de silicio [ver fig. 1 (c)].Teflón (PTFE) capilares entonces se enlazan a la entrada de los orificios de salida / de la oblea pyrex para llevar a cabo la microfluídica frente [cosas ver fig. 1 (d)].El diámetro del agujero en la oblea de pyrex (1,75 mm) es ligeramente más grande que el diámetro exterior del tubo capilar de teflón (1,68 mm) utilizado en la interconexión para garantizar que los capilares se pueden pasar libremente a través del agujero sin excesivo juego.Los detalles específicos sobre el proceso de unión capilar y análisis / ensayos y caracterización de la fuerza de la interconexión se dan en otros lugares [25].Por último, una basada en la suspensión de agua de las partículas del catalizador (rango de tamaño de 50 micras - 70 micras) se pasa a través de los microcanales de vicio.El catalizador de partículas de gran tamaño deseado se obtienen

por molienda y tamizado de partículas catalizadoras comercialmente disponibles (Süd-Chemie G-66B Cu / ZnO-cambio de temperatura baja (LTS) catalizador).Al pasar por la suspensión, las partículas del catalizador se quedan atrapados en los microcanales debido a la presencia del filtro cerca de la salida que permite que sólo las partículas más pequeñas de 20 micras para pasar a través.Esto da lugar a la formación de una cama micropacked de las partículas del catalizador en el que puede ser la reacción llevada a cabo durante la operación microreactor.Después del paso de catalizador formación de la cama el dispositivo aparece como representado esquemáticamente en la figura. 1 (e). B. Integración de los calentadores de la En-Viruta y sensores de temperaturaComo se señaló anteriormente, el microreactor tiene que ser mantenido en alrededor de 195 a 260

durante la operación. Integrado en el chip calentadores y sensores de temperatura se utilizan para este propósito.Los calentadores y sensores en forma de líneas de metal de platino con dibujos de alineación en la parte posterior del substrato (ver fig. 2) después de la microcanal paso de la aguafuerte de la figura. 1 (uno).El sensor de temperatura es una resistencia-temperatura del dispositivo de platino (RTD), con una temperatura lineal v / s característica de resistencia.Tabla IPARÁMETROS UTILIZADOS EN ANÁLISIS NUMÉRICO La calentador es una platino línea serpenteante a lo largo de el microcanales (También en el trasero de el sustrato). La de metal líneas establecido a cabo en el interior trincheras grabado utilizando DRIE [Ver Fig. 2 (a)] para evitar planteadas de metal depósitos en el de silicio superficie lo que podría interferir con el trasero anódico vinculación paso utilizados de productos eléctricos y térmica aislamiento de el dispositivo. Sputtere d

es utilizados como una pasivación capa de aislamiento eléctrico entre el calentador / IDT líneas y el de silicio substrato [Fig. 2 (b)]. Th e

Platino capa es modelada por el despegue de el photoresist [Fig. 2 (c)]. Por lo tanto una solo photoresist capa sirve como tanto una etch máscara de el grabado de trincheras y como el medio de el despegue de el óxido de y meta l. La final dispositivo, completa con el micropacked cama, capilar interconexión, calentador / temperatura sensores y parte posterior anódicamente en condiciones de servidumbre pirex oblea es se muestra esquemáticamente en la figura. 2 (d). La pirex oblea en condiciones de servidumbre en el calefactor / sensor lado tiene agujeros perforados en lugares correspondientes a vinculación almohadillas de y el sensor de líneas calentador.También tiene más pastillas de metal estampado en la exposición (no enlazantes) laterales que están conectados al calentador / cojines de vinculación del sensor de alambre de aluminio en condiciones de servidumbre por ultrasonidos para la interconexión eléctrica con el regulador de temperatura.Microscopio electrónico de barrido (SEM) imágenes de la fabrica de IDT se muestran en la figura. 3.Una visión detallada que demuestre la zanja en la que la línea del metal se deposita también se muestra en la figura. IV. Microreactor DISEÑOA. La configuración de la red de canalesEl dispositivo de un solo canal se describe en la Sección III a efectos ilustrativos, el microreactor real está formada por una red de microcanales paralelos orientados precisamente para llevar a cabo la reacción de reformado de diseño desde un solo canal sencilla resulta ser inadecuada desde el punto de vista de la op erating las exigencias sobre una

microreformer típica.Por ejemplo, restricciones de diseño, tales como la tasa de producción de hidrógeno mínimo basado en la demanda de células de combustible, la caída de presión máxima que se puede realizar utilizando la interfaz de microfluidos y el sistema de bombeo y el tiempo mínimo que los gases de reacción debe pasar en contacto con las partículas del catalizador para garantizar la suficiente metanol a la conversión de hidrógeno requieren un mínimo de sección transversal total del conducto de flujo.Al mismo tiempo, para asegurar una utilización uniforme del catalizador a través del chip del reactor completo y uniforme de las tasas de transferencia de calor rápida para la dinámica de funcionamiento de la microreactor, el flujo tiene que ser distribuido de manera uniforme en todo el área de la viruta.El diseño de la red de microcanales (fotolitografía diseño de la máscara) utilizadas en la fabricación real de satisfacer estas limitaciones se muestra en la figura. 4.ª sombra regiones e indica en la figura son las regiones donde la máscara permite que la luz pase a través durante el paso de la exposición.El diseño consta de siete microcanales paralelos, cada uno de ancho de 1.000 micras.El filtro de partículas del catalizador también se muestra en la figura. Desde un photoresist es usada en el tratamiento como máscara de grabado de aguafuerte posteriores (DRIE) del substrato de silicio con dibujos, las regiones sombreadas de la figura. 4 son las regiones donde se expone el photoresist y el substrato es posteriormente grabado al agua fuerte para formar la red de canales y el filtro.imágenes de SEM de los microcanales y el filtro se muestran en la figura. 5. Ubicación de los orificios de entrada y salida perforados en la oblea de pyrex tapado para la interconexión de microfluidos son marcados en la figura. 4.La entrada y salida están estratégicamente colocados en la red para que la longitud de la red recorrida por la mezcla de gases de reacción a través de cualquier camino paralelo al Ternate es el mismo.Así, cuando la red de microcanales se embala con las partículas del catalizador y el flujo de gas se inicia durante la operación, el gas va a ver una resistencia aproximadamente igual al flujo a través de cualquier vía de flujo paralelo, lo que forma la distribución del flujo unidireccional a través del área de la viruta entero.El objetivo detrás de este diseño es garantizar la igualdad de tiempos de residencia a través de caminos paralelos y garantizar la igualdad de la conversión y la utilización del catalizador en el chip reactor.B. Modelado y Simulación de flujomodelado y simulación rigurosa del flujo de gas a través de la red de microcanales se llevó a cabo para verificar que la distribución del flujo es de hecho uniforme.La ley de Darcy para el flujo a través de medios porosos (5) [18] y la ecuación de continuidad para fluidos compresibles (6) [6] se utilizan para el flujo de gas modelo a través de la geometría, donde u es el vector velocidad del fluido,

es la permeabilidad del medio poroso, P denota la presión, μ denota la viscosidad del fluido y ρ es la densidad del fluido(5)

(6)

El gas se modela como un fluido compresible, de conformidad con la ley del gas ideal, donde V representa el volumen ocupado por n moles de gas a temperatura T:

(7) RCEst e i I s el universal de gas constante. Este puede también se escribir como:(8)

donde M denota el peso molecular del gas.Las ecuaciones (5), (6) y (8) se pueden combinar en una única ecuación que describe que rigen el flujo de la mezcla de gas a través del lecho empacado de partículas del catalizador (9)

FEMLAB [7], una M A TLAB basado en genéricos 3-D geometría modelización software para elementos finitos análisis de junto parcial diferencial ecuaciones fue utilizados de numéricos la integración de el gobierno ecuación a resolver de el la presión Ver el perfil a través de el chip cruz sección de una dado límite condición de de entrada la presión con el de salida siendo en atmosférica de presión. Un geometría del modelo de el canal red creado en FEMLAB de el análisis es se muestra en Fig. 6. La ejes dimensiones se todos los marcados s en metros. Es puede se visto de el figura que el activos región de la microreactor (El área de con catalizador lleno microcanales) es sobre 4 cm x 4 cm en tamaño. La de silicio substrato es 1 mm de espesor y el arriba y parte inferior nivelación pirex obleas se 1.85 mm de espesor como en el real fabricados dispositivo. V alores de la mezcla de gases (1:1 molar

) propiedades y porosa cama permeabilidad

utilizados en el numéricos análisis de visualizar el el flujo de distribución se se indica en Cuadro Yo a lo largo de con los valores de el otros parámetros utilizados en el simulatio n. La de gas mezcla viscosidad (μ) es calculado en el de operación del reactor la temperatura de 463 K (190

) utilizando mezcla normas [27]. La porosa cama permeabilidad es calculado de una embalaje de 50 m μ al azar lleno esférica partículas base en la Kozeny-Carman ecuación [18]: [10]

que cuando se combina con (5) da (11)

donde las partículas de diámetro

y la cama porosidad ε = 0,38 para el caso

donde

se refiere al diámetro hidráulico del canal de flujo [18]. Cabe señalar que este método de cálculo

sólo se diseñó para obtener una estimación aproximada, el valor real puede ser algo diferente en función de las condiciones de embalaje del catalizador. Sin embargo, la exactitud del valor numérico de este parámetro no es crítico ya que la naturaleza del patrón de distribución del flujo es independiente de la permeabilidad, es sólo una función de la geometría de la red de canales.En otras palabras, si el objetivo de la distribución de flujo uniforme se cumple para una geometría dada será válida independientemente de que el valor real de la permeabilidad de la cama.La estimación de

Aquí se utiliza sólo para permitir el análisis numérico riguroso y visualización de los patrones de flujo.Si el valor exacto de

se desea, puede ser determinada empíricamente más tarde por la correlación de caída de presión conocida y los datos de caudal. Los resultados de esta simulación se muestran en las figuras. 7 y 8 para las condiciones límite de presión de 2,6 atm a la entrada y 1 atm en la salida.Fig. 7 muestra el perfil de presión a través de la sección transversal de la red de canales y la figura. La figura 8 muestra el perfil de la magnitud de la velocidad del gas, calculado a partir del perfil de presión a través de (12).Se puede observar que la magnitud de la velocidad del gas en los puntos correspondientes de los canales paralelos es aproximadamente la misma, por lo que visualmente uniforme distribución del flujo verificar(12)

El tiempo de residencia de la mezcla de gases en cada uno de los siete caminos paralelos (como la longitud recorrida a lo largo de los puertos de entrada y salida) también puede calcularse mediante la integración rigurosa de la velocidad del gas inversa a lo largo de la longitud del camino de flujo como se muestra en (13), donde l representa la trayectoria del flujo y

es un vector unidad en la di Rection del flujo de gas.Los valores calculados de los tiempos de residencia se dan en la tabla II para cada una de las siete líneas de flujo diferentes. Se puede observar que el objetivo del diseño de contar con tiempos de residencia aproximadamente igual en los microcanales paralelo se cumple. La caída de presión en cada uno de los siete microcanales paralelas también se incluye en el cuadro II de referencia, para dar una idea de los valores numéricos de la distribución de la presión se muestra en la figura. 7. Desde la caída de presión de la red a través de todo el dispositivo es de 1,6 atm, esto da una idea de la contribución de la caída de presión debido a las diferentes regiones del dispositivo(13)

C. El calentador del sensor de temperatura y DiseñoComo se describió anteriormente, el calentador y los sensores de temperatura son las líneas de platino patrón en la parte posterior de la oblea microcanal.El sensor de temperatura es un RTD de platino diseñado para tener una resistencia de 100 Ω a 0

. Para obtener una línea de platino um de espesor (t) 400 nm, la longitud (L) a lo ancho (W), cociente se calcula en 406,42 a partir de (14)(14)

Dónde

es la resistividad del platino a 0

. El RTD es, pues, diseñado para tener una longitud de 20.321 m para un ancho de 50 micras. (15)

El calentador es una línea única de platino que se ejecuta a lo largo de la red de microcanales para proporcionar un calentamiento uniforme.Está diseñado sobre la base de la potencia máxima disipada para mantener la microreactor en una superior a la temperatura de funcionamiento normal, de modo que incluso en la ausencia de aislamiento para disminuir las pérdidas de calor (cuando todo el chip de la superficie expuesta está a la temperatura de operación del reactor máximo), la corriente que fluye a través de la línea de la calefacción es menor que el límite de 1 electromigración

. La potencia máxima disipada en el calentador

en la falta de aislamiento, se calcula en 20 W sobre la base de la pérdida de calor por convección natural (15) donde h es el calor por convección natural coeficiente de transferencia (25

), A es el área de la viruta expuestos (longitud de la viruta (4 cm) de ancho chip X (4 cm) 2 lados), T es la temperatura de la superficie expuesta (275

en caso de no aislamiento térmico del chip) y

.

Luego de un calentador de W-20 de resistencia R, tenemos la siguiente expresión para la densidad de corriente

de calefacción máxima, donde

es el área transversal de la línea de calefacción y es su resistencia (16)

CUADRO IIGAS tiempos de residencia a través de caminos FLUJO PARALELO La línea de calefacción se ha diseñado para tener el mismo grosor que el de IDT (400 nm) para permitir el uso de una sola máscara para modelar tanto el calentador y los sensores de temperatura.El calentador está en la forma de una sola línea de serpenteo a lo largo de todos los microcanales con un ancho igual a la de los canales.Esto se traduce en una L / W de 834 para la línea.Por esta relación L / W, la resistencia de nuevo de la línea de calefacción a 275

es 422,5 Ω. Esto resulta en una densidad de corriente

de 0,5439

, Que es menor que el límite de diseño de un

. El hotolithography p diseño de máscara para el calentador y los sensores se muestra en la figura. 9.Como se ve, hay tres sensores de temperatura para medir la temperatura del reactor en lugares estratégicos en el microreactor y una línea principal de calefacción para asegurar un calentamiento uniforme.Cuando está correctamente alineado en la parte posterior de la oblea del canal, la línea de calefacción funciona exactamente a lo largo de los canales y los sensores se alinean con la entrada, el centro y la salida del número microcanal las 4 de la red. V. GENERAL DE MONTAJE Y FUNCIONAMIENTO DEL DISPOSITIVOA. Asamblea GeneralLas máscaras de fotolitografía para la red de canales (Fig. 4) y el IDT / estufa (fig. 9) se utilizan para procesar ambos lados de una oblea de silicio antes anódicamente unión de pyrex obleas a cada lado según la figura. 2 (d).La oblea de pyrex en el calentador de lado / RTD ha cojines de vinculación para interactuar con el controlador de temperatura como ya mencionado.Una vista de la superposición de la red de canales, el calentador de diseño de IDT y la bondpad diseño pyrex se muestra en la figura. 10.Fig. 11 muestra una vista del dispositivo completo, junto con los capilares de servidumbre y la llena de microcanales catalizador. B. experimental el programa de instalaciónUn diagrama esquemático del montaje experimental utilizado para probar la microreactor se muestra en la figura. 12 y la configuración actual se muestra en la figura. 13.Consiste en una bomba de jeringa para la alimentación del metanol-agua mezcla líquida de composición necesarios para la microreactor a velocidades de flujo deseada y un espectrómetro de masas (Stanford Research Systems SGC-200 analizador de gases) que proporciona una línea de análisis de la composición de la reaccionaron los gases de la salida de microreactor.Un gas inerte (argón) del caudal conocido mantenido con un controlador de flujo de masa se mezcla con el microreactor los gases de escape antes de la alimentación en el analizador de gases.Esto proporciona para el cálculo de la tasa de producción de hidrógeno mediante la medición exacta de la concentración de hidrógeno en relación con argón.Un sensor de presión conectado entre la bomba de la jeringuilla y la entrada microreactor se utiliza para controlar la presión del agua de mezcla de metanol de entrar en el microreactor. El espectrómetro de masas tiene en la cantidad deseada de gas para el análisis y el resto se ventila a través de una bomba de vacío conectada al lado de salida (Fig. 12) o recogida en un globo de la muestra, como se muestra en la figura. 13.La temperatura de la microreactor se mantiene en los niveles deseados utilizando un controlador conectado al chip IDT sobre calentador o una placa en la que se coloca el microreactor. C. La activación del catalizador y el funcionamiento de dispositivosComo se mencionó anteriormente, el catalizador utilizado fue Süd-Chemie G-66B Cu / ZnO bajo catalizador de cambio de temperatura.La carga de catalizador fresco tiene que ser muy reducida antes de su uso por primera vez, por lo general mediante la reacción de metanol / agua de alimentación a una temperatura aumenta gradualmente a partir de 150

hasta {0}

durante un período de diez horas de operación [3].Debido a la presencia del pyrex transparente limitación de la oblea, la activación del catalizador también se puede observar visualmente a través de un cambio en el color de los catalizadores en polvo, de negro a amarillo-marrón. Después de la fase de activación del catalizador, la temperatura de funcionamiento de la microreactor se elevó hasta cerca de 195 a 200

, Momento en el que la tasa de producción de hidrógeno aumentó en forma sostenida hasta que una porción importante de los gases de salida del reactor fue de hidrógeno.Con el fin de evitar problemas de condensación de líquido en el espectrómetro de masas de entrada capilar y para determinar la tasa de conversión de metanol exacta, el metanol no reaccionado y el agua fueron recogidos por una unidad de condensación (en funcionamiento a 0

para condensar lo esencial de los del metanol no reaccionado y agua) conectado entre la salida del reactor y el analizador de gases.Fig. 14 muestra los resultados de una reacción típica de ejecución de la microreactor en forma de un diagrama de la variación del índice de producción de hidrógeno con el tiempo como la temperatura del dispositivo se levantó de entre la gama de activación del catalizador por debajo de 175

a la temperatura de funcionamiento de 200 microreactor

. La recolección de datos se inició hacia el final de la fase de activación de catalizadores, unos 10 minutos antes de la temperatura de la placa se planteó en el valor operativo de 200

. Argón a caudal constante de 1,5 SLPM (litros estándar por minuto) fue utilizado como gas de arrastre para medir la tasa de producción de hidrógeno en el microreactor, como se explicó anteriormente.Una gráfica de las fracciones molares de los distintos componentes de los gases de reacción (después de condensación y separación del metanol no reaccionado y el agua), medido mediante el espectrómetro de masas para la gama de temperaturas de 190 a 200 microreactor

se muestra en la figura. 15 (sin base de argón).Los valores de composición se obtuvieron después de la calibración adecuada del analizador de gases utilizando una mezcla estándar de composición conocida, con la consideración de los distintos patrones de fragmentación de las especies dentro del espectrómetro de masas de iones-trampa. Se puede observar que poco después de que la temperatura sea de 200

, La producción de hidrógeno cada vez se eleva a un valor de unos 71,91 SCCM (centímetros cúbicos estándar por minuto). A temperaturas de funcionamiento de 190 a 200

, Formas de hidrógeno alrededor del 70% de la salida de los gases del reactor (agua y sin base de metanol).Para el funcionamiento experimental se muestra, la temperatura de la microreactor se mantuvo en los niveles deseados, colocándolo en una placa debido a la facilidad de manejo práctico.El uso de un chip calefacción se demostró en un experimento de calefacción independiente en la que el microreactor se mantienen a temperaturas de hasta 250

utilizando un controlador directamente relacionada con las líneas de platino calefacción modelada en el chip microreactor según la figura. 9. Durante la operación de estado estacionario a 200

para la reacción de ejecución se muestra, 2,5 ml de 1:1,5

molares fue aprobada a través de la microreactor en un caudal de 5 cc / h de la mezcla líquida.La mezcla de líquido dentro de la jeringa de la bomba antes de la alimentación en el microreactor se mantendrán a la temperatura ambiente de 20

, Dando lugar a la alimentación líquida peso específico de 0,9067 g / cc.Esto se traduce en un nivel de entrada de metanol de 2,46 g / h (0.076 875 mol / h) y un avance de metanol total de 1,23 gramos.Por el lado de salida, todos los metanol y el agua se condensa y se recoge en forma de líquido antes de los gases se mezclan con 1,5 SLPM de argón y se envía al espectrómetro de masas para el análisis.El importe neto de líquido así recogidos fue de 0,7 ml, con una gravedad específica medida de 0,9643 g / cc a 20

. Utilizando datos de mezcla de agua y metanol-peso específico [27], esta mezcla se encontró que contenía 21,53%

en peso. Así, la cantidad total de metanol sin reaccionar recogidos a la salida microreactor para esta ejecución fue 0,1453 g.La conversión de metanol

para esta carrera se puede calcular como se muestra en (17)(17)

La tasa neta de producción de hidrógeno para esta ejecución fue 0,1764 mol / h.Desde el punto de vista de la exigencia de la célula de combustible, un 20-W de combustible de funcionamiento de la célula con una eficiencia del 80% necesita un caudal de hidrógeno de 0.372 mol / h.Por lo tanto el largo reacción anterior proporciona suficiente hidrógeno para la generación de 9,48 W de potencia de la pila de combustible.La tabla III recoge los índices de corriente total de especies diferentes en la entrada y salida microreactor y se puede utilizar para verificar el balance de masa global del sistema.Se observó que la reacción se ejecuta en el que el metanol molar a concentraciones de alimentación de agua fueron más de 1:1,5, la cantidad de CO y

en el microreactor de escape fue menor que el esperado por estequiometría (1).Sobre la base de consideraciones termodinámicas [2], el microreactor estaba operando en la región de la deposición de carbono posible dentro de la cámara de reacción, lo que llevaría a que la composición estequiométrica inferior de CO y

a la salida del reactor. la deposición de carbono no es deseable ya que dará lugar a la desactivación del catalizador con el tiempo.Sin embargo, esto puede ser evitado, ya sea usando un agua-metanol alimentación alta proporción (el exceso de agua) como para la ejecución se muestra en las figuras. 14 y 15 (mayor volumen útil de determinada cantidad de metanol almacenado) o mediante la realización de la reacción a temperaturas de funcionamiento más alta (que requieren un mejor aislamiento térmico para evitar mayor pérdida de calor).

CUADRO IIIFLUJO DE ESPECIES DIFERENTES EN LA ENTRADA Y SALIDA DE microreactor Se está trabajando actualmente en curso para determinar las condiciones de operación normales opera óptima para la producción de hidrógeno a una velocidad máxima de metanol flujo determinado.catalizadores mejorados también se están probando para permitir tasas de rendimiento más alto en un determinado volumen de reactor (tamaño). VI. CONCLUSIÓNUn microreactor a base de silicio-chip fue desarrollado y probado con éxito para la producción in-situ y bajo demanda de hidrógeno. Una serie de conceptos de ingeniería química macroescala se llevaron a cabo a escala micro para crear un prototipo de planta química-en-un-chip ".-El chip de la integración de varios componentes, tales como calentadores / sensores, cámaras de reacción, los filtros de partículas y catalizador de las interconexiones de microfluidos se utilizó para la miniaturización en general, así como para garantizar un seguimiento preciso y control de la operación microreactor.carreras preliminares de la microreactor demostrado que un solo chip fue suficiente para abastecer de hidrógeno a un 9,48 de células de combustible W con metanol a la conversión de hidrógeno del 88,19%. Microreactores puede ser utilizado en un número de diferentes áreas donde la escala de procesamiento químico en miniatura es deseable, como unidades de análisis químicos portátiles, unidades para la demanda de fabricación de pequeñas cantidades de productos químicos peligrosos que pueden ser producidos a partir de reactivos tóxicos menos, y aplicaciones en las que Es conveniente para almacenar los productos químicos en forma de componentes sin reaccionar debido a la facilidad y la portabilidad de almacenamiento tales como la aplicación considerada en este trabajo.Microreactores también proporcionan una mayor superficie de manera significativa a las relaciones de volumen con respecto a los reactores convencionales y se puede utilizar para aplicar la reacción nuevos caminos antes no era posible utilizando reactores químicos convencionales. P Un TTEKAR Y Thare O K: HYD R P R ODUCCIÓN Ogen EN PILAS DE COMBUSTIBLE O R MIC APLIC A CIONES 17Este estudio puede ser utilizado como un marco general para el modelado, diseño y desarrollo de reactores químicos microescala y proporciona una buena base para la correcta utilización de los diversos conceptos de los campos de la química y la ingeniería eléctrica, diseño de MEMS, y el procesamiento de semiconductores.