作品實例科技發(fā)明制作類

全國二等獎作品序號：編碼：第九屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽作品申報書作品名稱：甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器學校全稱：華東理工大學申報者姓名（集體名稱）：袁彪類別：□自然科學類學術論文 □哲學社會科學類社會調查報告和學術論文■科技發(fā)明制作A類□科技發(fā)明制作B類報送方式：□省級報送作品■高校直送作品

說明1．申報者應在認真閱讀此說明各項內容后按要求詳細填寫。2．申報者在填寫申報作品情況時只需根據(jù)個人項目或集體項目填寫A1或A2表，根據(jù)作品類別（自然科學類學術論文、哲學社會科學類社會調查報告和學術論文、科技發(fā)明制作）分別填寫B(tài)1、B2或B3表。所有申報者可根據(jù)情況填寫C表。3．表內項目填寫時一律用鋼筆或打印，字跡要端正、清楚，此申報書可復制。4．序號、編碼由第九屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽全國組委會填寫。5．學術論文、社會調查報告及所附的有關材料必須是中文（若是外文，請附中文本），請以4號楷體打印在A4紙上，附于申報書后，字數(shù)在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm）。6．發(fā)起高校的三件直送作品和各?。▍^(qū)、市）通過初評的作品（數(shù)量參照“作品數(shù)額分配方案”）各一式四份分別按全國組委會規(guī)定的時間用特快專遞寄至全國競賽組委會辦公室。7．作品申報書須按要求由各省或各校競賽組織協(xié)調機構統(tǒng)一寄送。8．其他參賽事宜請向本校競賽組織協(xié)調機構咨詢。9．寄送地址：復旦大學團委第九屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽組委會辦公室

A1．申報者情況（個人項目）說明：1．必須由申報者本人按要求填寫，申報者情況欄內必須填寫個人作品的第一作者（承擔申報作品60%以上的工作者）；2．本表中的學籍管理部門簽章視為對申報者情況的確認。姓名袁彪性別男出生年月1981年4月申報者情況學校全稱華東理工大學專業(yè)化工過程機械現(xiàn)學歷碩士研究生年級二學制2.5年入學時間2003年9月作品全稱甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器畢業(yè)論文題目銅系催化劑涂層的的力學性能通訊地址略去郵政編碼200237單位電話略去常住地通訊地址略去郵政編碼200237住宅電話略去合作者情況姓名性別年齡學歷所在單位資格認定學校學籍管理部門意見是否為2005年7月1日前正式注冊在校的全日制非成人教育、非在職的各類高等院校中國學生（含?？粕?、本科生和研究生）?！鍪恰醴袢羰?，其學號為：M0329001（部門蓋章）2005年院系負責人或導師意見本作品是否為課外學術科技或社會實踐活動成果■是□否負責人簽名：2005年

B3．申報作品情況（科技發(fā)明制作）說明：1．必須由申報者本人填寫；2．3．本表必須附有研究報告，并提供圖表、曲線、試驗數(shù)據(jù)、原理結構圖、外觀圖（照片）,也可附鑒定證書和應用證書；4．作品分類請按照作品發(fā)明點或創(chuàng)新點所在類別填報。作品全稱甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器作品分類（A）A．機械與控制（包括機械、儀器儀表、自動化控制、工程、交通、建筑等）B．信息技術（包括計算機、電信、通訊、電子等）C．數(shù)理（包括數(shù)學、物理、地球與空間科學等）D．生命科學（包括生物、農學、藥學、醫(yī)學、健康、衛(wèi)生、食品等）E．能源化工（包括能源、材料、石油、化學、化工、生態(tài)、環(huán)保等）作品設計、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點，技術關鍵和主要技術指標作品設計、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點，技術關鍵和主要技術指標（續(xù)前）作品設計、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點，技術關鍵和主要技術指標（續(xù)前）作品設計、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點，技術關鍵和主要技術指標（續(xù)前）發(fā)明的目的：1、隨著能源和環(huán)境問題的日漸突出，氫能受到了人們前所未有的關注，成為當前乃至未來最具希望的能源之一。氫是理想的載能體，本身具有可再生性，燃燒時只生成水，可以實現(xiàn)真正的“二氧化碳零排放”。與其他能源相比，氫能量密度高（是汽油的2.68倍）；轉化為動力時其熱效率比常規(guī)化石能源高30-60%；作為燃料電池的燃料，效率高出1倍；適于管道輸送，成本低，無傳動部件，無噪聲污染等。氫的這些突出優(yōu)點使其在石油、化工、冶金、醫(yī)藥、航天、車輛、國防等行業(yè)和部門中得到了廣泛的應用。目前氫能的利用主要是通過燃料電池來實現(xiàn)的。燃料電池是一種能量轉換裝置，等溫地將貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，具有高效、對環(huán)境友好、安靜、可靠性高等優(yōu)點，在運載工具、便攜式電腦、手機等的應用中展現(xiàn)出誘人的前景。質子交換膜燃料電池由于能在室溫附近工作，而且啟動速度快，能源轉化效率高，不僅可以替代普通的二次電池，還可以作為汽車等運載工具的動力源，取代常規(guī)的汽油、柴油發(fā)動機，大大降低環(huán)境污染。氫氣作為質子膜燃料電池的主要燃料，其儲存、運輸?shù)仁侵萍s燃料電池工業(yè)化的一個關鍵性問題。作為液體燃料，甲醇具有高能量密度、低碳含量，加之運輸和貯存方便，是氫氣的理想來源，所以以甲醇為原料制取氫氣是最有效及最有發(fā)展前景的制氫工藝。2、目前，制氫原理主要是基于甲醇水蒸氣重整反應的，其反應系統(tǒng)存在體積龐大，效率較低，制造成本高，安全性能差等顯著缺點，對新型、高效、緊湊、安全的反應系統(tǒng)提出了發(fā)展要求。3、納米科技的急速興起，生態(tài)環(huán)境和能源問題成為焦點，新的形勢對特種機械裝置的微小化提出了迫切要求，涉及化學化工、熱力過程微小化的微型（化學）化工機械系統(tǒng)應運而生。由于這些與過程工藝相關的部件不能同步微小化而阻礙了先進科技的發(fā)展。氫能提供了解決未來能源和環(huán)境問題無限可能，但應用于汽車、深海裝置（潛艇等）時，制氫系統(tǒng)的微小化是關鍵?；谝陨显?，作者將微型反應技術和甲醇水蒸氣重整反應技術有機的結合在一起，設計制造出了性能優(yōu)良的甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器。經試驗驗證，該種產品具有多重優(yōu)點，相對常規(guī)設備在效率、應用范圍、安全性等方面有質的提高?？梢詮母旧辖鉀Q制約燃料電池技術產業(yè)化的瓶頸問題。發(fā)明的基本思路：目前國內對甲醇重整制氫微型反應器的研究仍處在起步階段，尚未有報道；國外對這方面的研究也大都處于實驗室階段。其工藝路線為：首先設計刻蝕出微槽道，接著完成催化劑在微槽道內的均勻涂覆，最后利用高溫膠對微型反應器進行封裝。由于高溫膠的封裝質量較差，因此按這種工藝路線制造出來的甲醇重整制氫微型反應器存在很大的安全隱患，在應用上也存在一定的局限性。針對這些不足，利用擴散焊技術對甲醇重整制氫微型反應器進行封裝，可實現(xiàn)結構的緊湊性和功能的安全性，并體現(xiàn)新世紀化工、機械產品安全、緊湊、高效、節(jié)能的發(fā)展目標。甲醇重整制氫微型反應器發(fā)明的基本思路為：1、通過電火花加工技術在鐵-鉻-鋁不銹鋼片上刻蝕出三種不同的形狀，分別為微槽道，三角形和通孔。其中在鐵-鉻-鋁不銹鋼片上加工的三角形圖案起到了緩流和勻流的作用，使流體在微槽道內均勻流動，提高微型反應器的效率。2、利用擴散焊技術對加工好的的鐵-鉻-鋁不銹鋼片進行封裝，保證了微型反應器的焊接質量。3、利用激光焊技術將進氣管和出氣管焊接到微型反應器上，解決了接管和鐵-鉻-鋁不銹鋼薄片焊接的技術難題。4、將γ-Al2O3粉末和硝酸溶液混合制成溶膠，通過真空進料和氮氣吹掃技術將形成的溶膠均勻涂覆在熱處理后的微型反應器內壁上，經過干燥和燒結的工序后，用配制好的催化劑溶液進行浸漬，再經過干燥和燒結后制得所需的催化劑涂層，實現(xiàn)了催化劑在微型反應器槽道內的有效涂覆。創(chuàng)新點：1、利用鐵-鉻-鋁不銹鋼（牌號為DIN1.4767）作為制造甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器的材料，滿足了擴散焊工藝對材料的特殊要求。2、在鐵-鉻-鋁不銹鋼片上刻蝕平行的微槽道和三角形，既保證了流體在反應器內的均勻流動，也實現(xiàn)了反應器的微型化。3、由于鐵-鉻-鋁不銹鋼片的厚度只有0.8mm，因此絕大多數(shù)焊接工藝都難以完成它們之間的焊合。作者首次嘗試應用擴散焊技術對微型反應器進行封裝，通過水壓試驗證明所研制的微型4、通過溶膠-凝膠技術實現(xiàn)了催化劑在微槽道內的有效涂覆，獲得了優(yōu)化的催化劑涂層。5、研制的甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器可以和11W的質子交換膜燃料電池配套使用。技術關鍵：1、在鐵-鉻-鋁不銹鋼片上刻蝕平行的微槽道和三角形，既保證了流體在反應器內的均勻流動，也實現(xiàn)了反應器的微型化。2、應用擴散焊技術對甲醇重整制氫微型反應器進行封裝，通過水壓試驗證明研制的微型反應器具有較好的焊接質量。3、通過溶膠-凝膠技術實現(xiàn)了催化劑在微型反應器槽道內壁上的涂覆，獲得了優(yōu)化的催化劑涂層。主要技術指標：1、微槽道的幾何尺寸為長32mm，寬1mm,深0.6m2、甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器的幾何尺寸為40mm×40mm×8mm，質量為80g。3、微型反應器的內部承壓小于1MPa。4、微型反應器的反應溫度，進料速度和水醇比(水和甲醇的物質的量的比)分別控制在282℃、6cm3h-1、1.3。5、穩(wěn)定的氫氣產率，甲醇轉化率和重整氣中CO的體積濃度分別為0.37molh-1、90.2%和0.87%。6、穩(wěn)定使用壽命大于100h。7、可以同11W的質子交換膜燃料電池配套使用。作品的科學性先進性（必須說明與現(xiàn)有技術相比、該作品是否具有突出的實質性技術特點和顯著進步。請?zhí)峁┘夹g性分析說明和參考文獻資料）作品的科學性先進性（必須說明與現(xiàn)有技術相比、該作品是否具有突出的實質性技術特點和顯著進步。請?zhí)峁┘夹g性分析說明和參考文獻資料）（續(xù)前）作品的科學性先進性（必須說明與現(xiàn)有技術相比、該作品是否具有突出的實質性技術特點和顯著進步。請?zhí)峁┘夹g性分析說明和參考文獻資料）（續(xù)前）傳統(tǒng)的甲醇水蒸氣重整制氫裝置需要較長的氣相反應時間（1-10s），并且反應裝置過于龐大，攜帶和使用極為不便，因此設計和制造小型、功能增強的重整器是甲醇重整制氫反應器的發(fā)展方向。將微小型槽道反應應用于甲醇重整制氫裝置的研究引起了各國的廣泛關注[1~3]。微型反應器是微化工機械系統(tǒng)的核心部分，微化工機械系統(tǒng)技術是近年來順應可持續(xù)發(fā)展與高技術發(fā)展的需要而興起的多學科交叉的科技前沿領域，它是集微機電系統(tǒng)設計思想和化學化工基本原理于一體并移植集成電路和微傳感器制造技術的一種高新科技，涉及設計化學、材料、物理、化工、機械、電子、控制學等各種工程技術和學科[4]。目前甲醇重整制氫系統(tǒng)的前沿技術是將微型反應技術和甲醇重整反應技術有機地結合在一起，制備甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器[5-7]。與傳統(tǒng)的甲醇水蒸氣重整制氫固定床式反應器相比，微型反應器具有以下特殊的優(yōu)點：(1)在狹窄的通道中傳熱和傳質的路徑大大減少了。在傳熱和傳質過程中傳遞距離具有很大的重要性。微反應技術的原理之一就是要減少這些傳遞距離，并通過小的流動通道來增強傳遞效果。一般通道的寬度為10-500μm，可以應用[8](1)其中tmin是達到完全混合所需的時間，I是傳遞距離，D是擴散系數(shù)。因此，在混合時間和傳遞距離之間有一個二次方的依賴性，這意味減少流道尺寸將導致更短的擴散時間。所以，微混合器通常在毫秒級范圍即可達到反應物的充分混合，在這個時間范圍混合距離為μm級。因為甲醇重整制氫反應是一個強吸熱反應，傳熱和傳質的效果對反應有很大的影響，所以微反應技術應用于車載甲醇制氫系統(tǒng)是非常合適的。(2)微型反應器的表面積/體積比率非常大，對于一個體積為1cm3，通道截面積為100μm×70μm的微熱交換器的表面/體積比率大約是26200m2/m3，其可傳導的熱功率達20kw，傳熱系數(shù)可達25kw/m2k(3)小的管道尺寸是一個重要的安全因子，因為火焰的擴展在微結構反應器中會受到抑制。因此，這些反應器可以在爆炸范圍操作，而不需要附加任何特殊的安全措施?，F(xiàn)在的甲醇重整制氫系統(tǒng)流行的做法是將燃料電池的陽極尾氣在Pt催化劑上進行催化燃燒，將產生的熱量提供給甲醇重整反應系統(tǒng)，所以安全性對于該系統(tǒng)是一個基本前提。(4)微結構的規(guī)整性對于模擬和放大有很大的便利性。顯然，因為在反應動力學、傳質和傳熱及流體力學之間有協(xié)調平衡的問題，所以對于不同的反應體系有不同的最佳通道幾何尺寸，通道的規(guī)整性是微反應技術的重要優(yōu)點之一。這樣針對不同功率的燃料電池可以簡單的通過并聯(lián)多個微型反應裝置進行調節(jié)，避開了令人頭痛的放大環(huán)節(jié)[9]。與已經報導的甲醇重整制氫微型反應器相比。由于該設備應用擴散焊技術進行封裝，故其機械性能有了極大程度的提高，應用范圍更廣。設計的甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器以大量的試驗為基礎，成功解決了微型化工機械系統(tǒng)中存在的微槽道的設計加工，擴散焊的高質量封裝和催化劑在微型反應器內的有效涂覆三大技術難題。通過甲醇水蒸氣重整制氫試驗，研制的微型反應器（內含125條微槽道）的氫氣產率，甲醇轉化率和重整氣中CO的體積濃度分別為0.37molh-1、90.2%和0.87%?？梢酝?1W的質子交換膜燃料電池配套使用。綜上所述，與常用的甲醇水蒸氣重整制氫固定床式反應器相比，該微型反應器具有體積小、安全性好、傳熱、傳質效率高，便于放大等四大突出優(yōu)點；與已經報導的甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器相比，由于該設備利用擴散焊技術進行封裝，極大提高了它的機械性能。與CO凈化系統(tǒng)相配套實現(xiàn)現(xiàn)場制氫將滿足軍事、運輸、電子設備等行業(yè)對燃料電池技術的要求。參考文獻:[1]K.D.Harris,M.Brett.Microchannelsurfaceareaenhancementusingporousthinfilms[J].Electchem.Soc.,2000,147(5):2002-2006[2]L.F.Brown.Acomparativestudyoffuelsforon-boardhydrogenproductionforfuel-cell-powderedautomobiles[J].InterHydrogenEnergy,2001,26:381-397[3]S.P.Fitagerald,R.S.Wegeng,A.Y.Tonkovich,etal.,Acompactsteamreformingreactorforuseinanautomotivefuelprocessor,AiChE2000SpringNationalMeetingAtlanta,USA,2000[4]A.Gavriilidis,P.Angeli,E.Cao,etal.,TechnologyandApplicationsofMicroengineeredReactors[J].ChemEngResDes,2002,80(A1):3-30[5]J.D.Hollady,E.O.Jones,M.Phelps,etal.,Microfuelprocessorforuseinaminiaturepowersupply[J].J.PowerSources,2002,108:21-27.[6]Y.Kawamura,N.Ogura,T.Katsumata,etal.,in:Proceedingsof2002FuelCellSeminar,Palmsprings,CA,18-21November,2002,P.669.[7]S.Tasic,D.Gervasio,R.Koripella,etal.,in:Proceedingsof2002FuelCellSeminar,PalmSprings,CA,18-21November,2002,P.275.[8]王樂夫,張美英.微化學工程中的微反應技術.化學反應工程與工藝,2001,17(2):174-179[9]A.Rouge,B.Spoetzl,S.Schenk,etal.,Microchannelreactorsforthefastperiodicoperation.Thecatalyticdehydrationofisopropanol[J].Chem.Eng.Sci,2001,56:作品在何時、何地、何種機構舉行的評審、鑒定、評比、展示等活動中獲獎及鑒定結果2005年6月上海市上海高校學生“創(chuàng)造發(fā)明三槍杯獎”作品所處階段（A）A實驗室階段B中試階段C生產階段D（自填）技術轉讓方式作品可展示的形式□實物、產品□模型□圖紙□磁盤□現(xiàn)場演示□圖片□錄像■樣品使用說明及該作品的技術特點和優(yōu)勢，提供該作品的適應范圍及推廣前景的技術性說明及市場分析和經濟效益預測使用說明及該作品的技術特點和優(yōu)勢，提供該作品的適應范圍及推廣前景的技術性說明及市場分析和經濟效益預測（續(xù)前）技術特點和優(yōu)勢：該設備以鐵-鉻-鋁不銹鋼（牌號為DIN1.4767）作為原材料；應用擴散焊技術對微型反應器進行封裝；通過水壓試驗發(fā)現(xiàn)制造的微型反應器具有較好的焊接質量；通過溶膠-凝膠技術實現(xiàn)了催化劑在微型反應器槽道內的有效涂覆。該設備具有重量輕，體積小，安全性好，傳熱、傳質效率高，便于放大五大突出優(yōu)點。適用范圍：應用此項技術將部分地實現(xiàn)現(xiàn)場制氫，一方面可以有力的推動燃料電池電動設備的產業(yè)化，另一方面可以同便攜式燃料電池相配套，對手機，手提電腦等電子設備帶來革命性的變化。市場分析和經濟效益預測：該項技術對我國的經濟和軍事都將產生重要的影響。它將成為電動車、不依賴空氣推動的潛艇動力源和各種可移動電源的最佳候選者。隱身戰(zhàn)車，數(shù)字化軍隊等都是該項技術應用的廣闊舞臺。其潛在的經濟、市場，國家安全的價值十分巨大，很難用具體的數(shù)字衡量。正如Patil[1]所說，此項技術連同與之相關的燃料電池技術將會給人類帶來革命化的變化。參考文獻：[1]A.S.Patil,T.G.Dubois,N.Sifer,etal.,PortablefuelcellsystemsforAmerica’sarmy:technologytransitiontothefield[J].J.PowerSources,2004,136:220-225專利申報情況□提出專利申報申報號申報日期年月日□已獲專利權批準批準號批準日期年月日■未提出專利申請科研管理部門簽章情況屬實2005年

C.當前國內外同類課題研究水平概述說明：1.申報者可根據(jù)作品類別和情況填寫；2.填寫此欄有助于評審。隨著能源和環(huán)境問題的日漸突出，氫能受到了人們前所未有的關注，成為當前乃至未來最具希望的能源之一。氫是理想的載能體，本身具有可再生性，燃燒時只生成水，可以實現(xiàn)真正的“二氧化碳零排放”。與其他能源相比，氫能量密度高（是汽油的2.68倍）；轉化為動力時其熱效率比常規(guī)化石能源高30-60%；作為燃料電池的燃料，效率高出1倍；適于管道輸送，成本低，無傳動部件，無噪聲污染等。氫的這些突出優(yōu)點使其在石油、化工、冶金、醫(yī)藥、航天、車輛、國防等行業(yè)和部門中得到了廣泛的應用。目前氫能的利用主要是通過燃料電池來實現(xiàn)的。燃料電池是一種能量轉換裝置，等溫地將貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，具有高效、對環(huán)境友好、安靜、可靠性高等優(yōu)點，在運載工具、便攜式電腦、手機等的應用中表現(xiàn)出誘人的前景[1-2]。質子交換膜燃料電池由于能在室溫附近工作，而且啟動速度快，能源轉化效率高，不僅可以替代普通的二次電池，還可以作為汽車等運載工具的動力源，取代常規(guī)的汽油、柴油發(fā)動機，大大降低環(huán)境污染[3]。氫氣作為質子膜燃料電池的主要燃料，其儲存、運輸?shù)仁侵萍s燃料電池工業(yè)化的一個關鍵性問題。作為液體燃料，甲醇具有高能量密度、低碳含量，加之運輸和貯存方便，是氫氣的理想來源，所以以甲醇為原料制取氫氣是最有效及最有發(fā)展前景的制氫工藝。目前，制氫原理主要是基于甲醇水蒸氣重整反應的，其反應系統(tǒng)存在體積龐大，效率較低，制造成本高，安全性能差等顯著缺點，對新型、高效、緊湊、安全的反應系統(tǒng)提出了發(fā)展要求。納米科技的急速興起，生態(tài)環(huán)境和能源問題成為焦點，新的形勢對特種機械裝置的微小化提出了迫切要求，涉及化學化工、熱力過程微小化的微型（化學）化工機械系統(tǒng)應運而生。由于這些與過程工藝相關的部件不能同步微小化而阻礙了先進科技的發(fā)展。氫能提供了解決未來能源和環(huán)境問題無限可能，但應用于汽車、深海裝置（潛艇等）時，制氫系統(tǒng)的微小化是關鍵。將微型反應技術和甲醇水蒸氣重整反應技術有機的結合在一起，設計制造甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器成為研究的熱點[4-6]。目前從事微槽道反應器技術研究的主要有美國杜邦公司、麻省理工學院、太平洋西北國家研究所、德國的美茵茲微技術研究所、巴斯夫和拜耳等著名公司、英國的殼牌公司等[7-10]。此項研究國外大多處于實驗室階段，而國內對甲醇重整制氫微型反應器的研究仍處在起步階段，尚未有報道。美國的太平洋西北國家研究所早在1992年就開始研究微型反應器，現(xiàn)在已成功開發(fā)出了微通道的熱交換器、分離器，以及應用于燃料電池的H2發(fā)生系統(tǒng)[11]；并研制出可與40W燃料電池配套的微槽道反應器，該反應器由蒸發(fā)，甲醇重整和換熱三個單元組成[12]。Park[13]等人利用刻蝕微槽道的不銹鋼薄片研制出一種新型的甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器，如圖1所示。首先在微槽道內涂覆催化劑，然后利用高溫膠對甲醇重整制氫微型反應器進行封裝，甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器的尺寸為70mm×40mm×30mm，可以同15W的質子交換膜燃料電池配套。圖1甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器Pfeifer[14]等人在100μm×100μm微槽道內固定了納米ZnO催化劑，用于甲醇水蒸氣重整制氫反應。本人利用鐵-鉻-鋁不銹鋼作為制作微型反應器的材料，通過電火花加工在鐵-鉻-鋁不銹鋼片上刻蝕出三種形狀，如圖2所示。作為微型反應器兩邊蓋板（如圖2a）的不銹鋼片共有兩片，加工兩個通孔作為流體進出的通道。作為微槽道緩流板（如圖2b）的不銹鋼片共有6片，加工一個有利于流體均勻分布的貫通的三角形圖案。加工有貫通式微槽道的不銹鋼片（如圖2c）共有5片，是重整反應的主要場所。微槽道的尺寸為寬1mm，深0.6mm，長32mm，共刻蝕125條。加工好的鐵-鉻-鋁不銹鋼片按圖1所示的順序排列，然后通過擴散焊工藝進行微型反應器的封裝。封裝好的微型反應器尺寸為4然后將微型反應器在1000℃進行5個小時的熱處理，以使鐵-鉻-鋁不銹鋼表面生成一層Al2O3薄膜，來加強金屬基體同催化劑涂層的附著力[15]。在γ-Al2O3粉末中加入硝酸溶液，在室溫下攪拌1小時，陳化2個小時，形成溶膠。通過真空進料和氮氣吹掃技術將形成的溶膠均勻涂覆在熱處理后的微型反應器內壁上。室溫下干燥1小時，然后在真空干燥箱中于105℃下干燥1小時。在馬弗爐中以一定溫度進行燒結，然后用催化劑溶液進行浸漬，最后經干燥和燒結后制得微型反應器所需的催化劑涂層。(c)(a)(c)(a)(b)圖2不銹鋼片裝配圖圖3微型反應器（40mm×40mm×8mm）該作品成功解決了微型化工機械系統(tǒng)中存在的微槽道加工，擴散焊的高質量封裝以及催化劑在微型反應器內的有效涂覆三大技術難題。通過甲醇水蒸氣重整制氫試驗，研制的微型反應器氫氣產率、甲醇轉化率和重整氣中CO的體積百分比濃度分別為0.37molh-1、90.2%和0.87%?？梢院?1W的燃料電池配套使用。綜上所述，與常用的甲醇水蒸氣重整制氫固定床式反應器相比，該微型反應器具有體積小、安全性好、傳熱、傳質效率高，便于放大四大突出優(yōu)點。與國外已經報道的甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器相比，由于該設備利用擴散焊技術對微型反應器進行封裝，極大提高了該設備的機械性能。該設備與CO凈化系統(tǒng)相配套實現(xiàn)現(xiàn)場制氫將滿足軍事、運輸、電子設備等行業(yè)對燃料電池技術的要求。參考文獻：[1]G.Cacciola,V.Antonucci,S.Freni,Technologyupdateandnewstrategiesonfuelcells[J].J.PowerSources,2001,100:67-79.[2]T.Yohei,U.Toshimasa,K.Ryuji,etal.,COremovedfromreformedfueloverCu/ZnO/Al2O3catalystspreparedbyimpregnationandcoprecipitationmethods[J].Appl.Catal.A,2003,238:11-18.[3]黃倬,屠海令,張冀強,等.質子交換膜燃料電池的研究開發(fā)與應用.北京:冶金工業(yè)出版社,2000.[4]J.D.Hollady,E.O.Jones,M.Phelps,etal.,Microfuelprocessorforuseinaminiaturepowersupply[J].J.PowerSources,2002,108:21-27.[5]Y.Kawamura,N.Ogura,T.Katsumata,etal.,in:Proceedingsof2002FuelCellSeminar,Palmsprings,CA,18-21November,2002,P.669.[6]S.Tasic,D.Gervasio,R.Koripella,etal.,in:Proceedingsof2002FuelCellSeminar,PalmSprings,CA,18-21November,2002,P.275.[7]V.Hessel,H.L?we,T.Stange,MicroChemicalProcessingatIMMfromPioneeringWorktoCustomer-spcififiaservices.LabChip,2002,2:14N-21N[8]J.M.Wilkinson,ImprovingAccesstoMicrotechnologytheEuropracticeProject.LabChip,2002,2:37N-38N[9]A.Mello,R.Wootton,ButWhatIsItGoodforApplicationsofMicroreactorTechnologyfortheFineChemicalIndustry.LabChip,2002,2:7N-13N[10]D.L.Brenchley,R.S.Wegeng,StatusofMicrochemicalSystemsDevelopmentintheUnitedStatesofAmerica.In:AICHESpringNationalMeeting,NewOrleans,1998.[11]S.W.Robert,R.P.Larry,E.T.Ward,etal.,Compactfuelprocessorsforfuelcellpoweredautomobilesbasedonmicrochanneltechnology,FuelCellBulletinNo.28.[12]A.S.Patil,T.G.Dubois,N.Siferetal.,PortablefuelcellsystemsforAmerica’sArmy:technologytransitiontothefield[J].J.PowerSources,2004,136:220-225.[13]G.Park,D.J.Seo,S.H.Park,etal.,Developmentofmicrochannelmethanolsteamreformer[J].Chem.Eng.J.,2004,101:87-92.[14]P.Pfeifer,K.Schubert,M.A.Liauw,etal.,PdZncatalystspreparedbywashcoatingmicrostructuredreactors[J].Appl.Catal.A,2004,270:165-175.[15]K.Haas-Santo,M.Fichtner,K.Schubert,Preparationofmicrostructurecompatibleporoussupportsbysol-gelsynthesisforcatalystcoatings[J].Appl.Catal.A,2001,220:79-92.D.推薦者情況及對作品的說明說明：1．由推薦者本人填寫；2．推薦者必須具有高級專業(yè)技術職稱，并是與申報作品相同或相關領域的專家學者或專業(yè)技術人員（教研組集體推薦亦可）；3．推薦者填寫此部分，即視為同意推薦；4．推薦者所在單位簽章僅被視為對推薦者身份的確認。推薦者情況姓名袁渭康性別男年齡70職稱教授中國工程院院士工作單位華東理工大學化工學院通訊地址略去郵政編碼200237單位電話住宅電話略去推薦者所在單位簽章情況屬實（簽章）2005請對申報者申報情況的真實性作出闡述該申報作品是在王正東教授的指導下完成的,并有實物。微型反應器制造方法、性能也合理。申報材料真實。請對作品的意義、技術水平、適用范圍及推廣前景作出您的評價微型反應裝置是國內外研究熱點，預計在化工、生物醫(yī)學、軍事、航天、日常生活等領域都將有廣泛的應用。國內目前研究剛剛起步。本作品以甲醇重整制氫為體系，有明確的應用背景。提出了原位催化劑制備和反應器封裝工藝，因而在反應器性能滿足要求后能夠很快投入市場。其它說明推薦者情況姓名涂善東性別男年齡43職稱長江學者計劃特聘教授工作單位華東理工大學機械與動力工程學院通訊地址上海市梅隴路130號郵編200237單位電話略去住宅電話略去推薦者所在單位簽章情況屬實簽章日期2005請對申報者申報情況的真實性作出闡述袁彪同學入學后，以銅系催化劑涂層的力學性能為研究課題，但同時對微能源系統(tǒng)別有興趣，提出了甲醇制氫微反應器制造的設想，并在于新海同志的協(xié)助下成功實現(xiàn)了微型反應器的高效制氫。請對作品的意義、技術水平、適用范圍及推廣前景作出您的評價該作品為微型化工機械系統(tǒng)的制造與應用提供了一個成功的范例，制造技術已達到國際先進水平。甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器為未來便攜式能源系統(tǒng)在諸多高技術領域（運載、國防、太空與深海探險等）的應用提供了重要的物質基礎，該制造技術還適于高溫燃料電池的應用，前景十分廣闊。其它說明推薦者情況姓名鐘建江性別男年齡40職稱長江學者計劃特聘教授工作單位華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室通訊地址上海市梅隴路130號郵編200237單位電話略去住宅電話略去推薦者所在單位簽章情況屬實簽章日期2005請對申報者申報情況的真實性作出闡述該同學的申報作品是在王正東教授的指導下完成的，據(jù)了解申報作品真實。請對作品的意義、技術水平、適用范圍及推廣前景作出您的評價能源是全世界各國普遍關注的最大課題，尤其對我國下一輪發(fā)展來說現(xiàn)實意義深遠，制氫是能源問題中一個非常受關注的方向。從學科發(fā)展來說，微型反應器是當前化工工業(yè)制造系統(tǒng)中最先進技術的一個重要組成部分。本課題設計完成的甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器技術水平高，不但對能源領域，而且對相關高技術領域，比如國防安全、太空與探險等，均具有十分誘人的應用前景。其它說明學校組織協(xié)調機構確認并蓋章同意推薦（團委代章）2005校主管領導或校主管部門確認蓋章同意2005各?。▍^(qū)、市）評審委員會初評意見評委簽名：年月日各?。▍^(qū)、市）組織協(xié)調委員會審定意見團委科協(xié)教育廳學聯(lián)（簽章）（簽章）（簽章）（簽章）年月日

E．全國組織委員會秘書處資格和形式審查意見組委會秘書處資格審查意見審查人（簽名）年月日組委會秘書處形式審查意見審查人（簽名）年月日組委會秘書處審查結果□合格□不合格負責人（簽名）年月日

F．一等獎作品正文甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器研究報告袁彪華東理工大學機械與動力工程學院指導教師王正東[摘要]針對燃料電池系統(tǒng)氫源穩(wěn)定性問題，應用特殊的微加工和擴散焊技術，開發(fā)設計了一種新型、高效的甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器。通過溶膠-凝膠技術將催化劑涂層負載到微型反應器的內壁上。試驗研究分析了反應溫度、進料速度、水醇比（水和甲醇的物質的量的比）、反應時間對甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器性能的影響。結果表明該微型反應器的氫氣產量可滿足11W燃料電池的需要，為未來便攜式能源系統(tǒng)在諸多高技術領域的應用提供了可行性。[關鍵詞]微型反應器，甲醇水蒸氣重整，燃料電池，氫[Abstract]Todevelopareliablehydrogensupplysystemforfuelcells,anewandefficientmethanol-steamreformermicroreactorwassuccessfullydevelopedbyusingspecificmicro-processingtechnologyanddiffusionbonding.Thecatalyticmaterialswerecoatedontheinnerwallbymeansofsol-gelandimpregnation.Theeffectsofreactiontemperature,spacevelocity,molarratioofwatertomethanol,andreactiontimeontheperformanceofthemicroreactorwereinvestigated.Theresultsshowthatthedevelopedmicroreactorcangenerateenoughhydrogenforapoweroutputof11W,andthefeasibilityoftheportableenergysystem,appliedinmanyhightechnologyfields,hasbeenprovided.[Keywords]Microreactor;Methanol-steamreformer;Fuelcell;Hydrogen1研究背景隨著能源和環(huán)境問題的日漸突出，氫能受到了人們前所未有的關注，成為當前乃至未來最具希望的能源之一。氫是理想的載能體，本身具有可再生性，燃燒時只生成水，可以實現(xiàn)真正的“二氧化碳零排放”。與其他能源相比，氫能量密度高（是汽油的2.68倍）；轉化為動力時其熱效率比常規(guī)化石能源高30-60%；作為燃料電池的燃料，效率高出1倍；適于管道輸送，成本低，無傳動部件，無噪聲污染等。氫的這些突出優(yōu)點使其在石油、化工、冶金、醫(yī)藥、航天、車輛、國防等行業(yè)和部門中得到了廣泛的應用。目前氫能的利用主要是通過燃料電池來實現(xiàn)的。燃料電池是一種能量轉換裝置，等溫地將貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，具有高效、對環(huán)境友好、安靜、可靠性高等優(yōu)點，在運載工具、便攜式電腦、手機等的應用中展現(xiàn)出誘人的前景[1-2]。質子交換膜燃料電池由于能在室溫附近工作，而且啟動速度快，能源轉化效率高，不僅可以替代普通的二次電池，還可以作為汽車等運載工具的動力源，取代常規(guī)的汽油、柴油發(fā)動機，大大降低環(huán)境污染[3]。氫氣作為質子膜燃料電池的主要燃料其儲存、運輸?shù)仁侵萍s燃料電池工業(yè)化的一個關鍵性問題。作為液體燃料，甲醇具有高能量密度、低碳含量，加之運輸和貯存方便，是氫氣的理想來源，所以以甲醇為原料制取氫氣是最有效及最有發(fā)展前景的制氫工藝。目前，制氫原理主要是基于甲醇水蒸氣重整反應的，其中將微型反應技術和甲醇水蒸氣重整反應技術有機地結合在一起制備微小型的甲醇水蒸氣重整反應器是關鍵技術[4-6]。微型反應器具有以下的優(yōu)點：比表面積高；微槽道內的流動為層流使得壓力降降低；徑向擴散時間的縮短可以對接觸時間進行優(yōu)化，有利于減少副產物；良好的傳熱和傳質效果大大縮短了對外界條件變化的反應時間；小的尺寸提高了反應器的安全因子；有利于放大[7]。近來關于甲醇水蒸氣重整微型反應器的研究取得令人振奮的進展：美國太平洋西北國家實驗室研制出可與40W燃料電池配套的甲醇重整制氫微型反應器[8]。Park制備出外形尺寸為70mm×40mm×30mm的甲醇水蒸氣重整微型反應器，可以同15W的質子交換膜燃料電池配套使用[9]。但以上報道的微型反應器采用的是首先在每一層槽道內涂覆催化劑，然后再通過粘接的方法將每一層的槽道聯(lián)接起來的制備方法，這種工藝煩瑣而且產品的質量難以保證。本研究報告以甲醇水蒸氣重整制氫反應為研究對象，通過電火花加工技術，擴散焊封裝技術，溶膠-凝膠技術成功研制出一種新型的微型反應器，并考察了反應溫度、水醇比、進料速度、反應時間對甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器性能的影響，得到了甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器應用的最佳條件。2甲醇水蒸氣重整微型反應器的設計制造用牌號DIN1.4767的鐵-鉻-鋁不銹鋼作為制作微型反應器的材料，通過電火花加工在鐵-鉻-鋁不銹鋼片上刻蝕出三種形狀，如圖1所示。作為微型反應器兩邊蓋板(如圖1.(a))的不銹鋼片共有兩片，加工兩個通孔作為流體進出的通道。作為微槽道緩流板(如圖1.(b))的不銹鋼片共有6片，加工一個有利于流體均勻分布的貫通的三角形圖案。加工有貫通式微槽道的不銹鋼片(如圖1.(c))共有5片，是重整反應的主要場所。微槽道的尺寸為長32mm，寬1mm,深0.6mm，共刻蝕125條。加工好的鐵-鉻-鋁不銹鋼片按圖2所示的順序排列，然后通過擴散焊工藝進行微型反應器的封裝，焊接設備如圖3所示。封裝好的甲醇重整制氫微型反應器尺寸為40mm×40mm×8mm，如圖4所示。微型反應器首先在1000℃進行5個小時的熱處理，使鐵-鉻-鋁不銹鋼表面生成一層Al2O3薄膜，來在γ-Al2O3粉末中加入硝酸溶液，在室溫下攪拌1小時，陳化2個小時，形成溶膠。通過真空進料和氮氣吹掃技術將形成的溶膠均勻涂覆在熱處理后的微型反應器內壁上。室溫下干燥1小時，然后在真空干燥箱中于105℃下干燥1小時。在馬弗爐中以一定溫度進行燒結，然后用催化劑溶液（該催化劑為本實驗室生產，性能優(yōu)良）進行浸漬，經干燥和燒結后制得所需催化劑涂層。(a)(a)(b)(b)(c)(c)圖1電火花加工刻蝕的三種不銹鋼片：（a）蓋板（b）緩流板（c）微槽道板圖2不銹鋼片裝配圖圖3真空擴散焊機圖4微型反應器（40mmX40mmX8mm）測試裝置實驗裝置如圖5所示（此實驗裝置為實驗室原有設備，無需重新搭建）。將甲醇重整制氫微型反應器放在一個恒溫加熱爐中，反應溫度控制在200~300℃，由AI智能溫度控制儀控制爐子的溫度，控制精度±1℃。首先向微型反應器中通入H2:N2=1:9（體積比）的混合氣體，流量為300cm3min-1。以3℃min-1升溫至280℃，活化4個小時。然后關閉H2,將溫度調節(jié)至所需要的反應溫度下，再關閉N2，通過計量泵將甲醇和水按一定的比例先經過汽化室汽化，然后進入甲醇重整制氫微型反應器進行反應，在微型反應器的進出口放置熱電偶測量溫度。待反應穩(wěn)定1個小時后，進行取樣分析圖5甲醇重整制氫實驗裝置1:料罐2:計量泵3:汽化室4:反應爐5:熱電偶6:微型反應器7:冷阱8:氣體流量計9:氣相色譜儀(FID&TCD)10:計算機（配有氣相色譜工作站）4性能表征和影響因素分析4.1.微型反應器的性能表征(1)(1)(2)圖6圖6鐵-鉻-鋁不銹鋼片擴散焊接頭的電鏡照片圖7催化劑涂層同不銹鋼片結合面處的電鏡照片.鐵-鉻-鋁不銹鋼片擴散焊接頭的電鏡照片如圖6所示。在焊接界面處可見少量的微小孔洞，整個界面的焊合率達到了90%以上。在室溫20℃，內壓1MPa下對擴散焊后的微型反應器進行了水壓實驗，沒有發(fā)現(xiàn)任何泄露，說明制造的微型反應器具有較好的焊接質量。圖7為涂覆在經過熱處理后的鐵-鉻-鋁不銹鋼片上的催化劑涂層的SEM圖，（1）代表催化劑載體，（2）代表金屬基體。金屬基體和催化劑涂層界面處觀察不到明顯的裂紋和涂層脫落現(xiàn)象，可見催化劑涂層同金屬表面結合是非常緊密的。4.2.反應溫度的影響將甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器裝配到如圖5所示測試系統(tǒng)中，考察反應溫度對微型反應器性能的影響。如圖8所示，甲醇的轉化率隨著溫度的升高而升高，這主要是由于甲醇水蒸氣反應是一強吸熱反應所決定的。而在微型反應器中，CO的濃度卻隨著反應溫度的升高發(fā)生波動。這可能是由于微型反應器的特殊形式或者涂層催化劑的特殊結構所造成的。圖8反應溫度對微型反應器性能的影響（進料速率=6cm3h-1,水醇比=1.3）4.3.進料速度的影響將甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器裝配到如圖5所示測試系統(tǒng)中，在反應溫度為272℃，水醇比為1.3時考察了進料速度對于微型反應器性能的影響。由圖9可見，伴隨進料速度的增加，甲醇轉化率和重整氣中的CO的濃度都降低。圖9進料速度對微型反應器性能的影響(T=272℃,水醇比=1.3)4.4.水醇比的影響將甲醇水蒸氣重整制氫微型反應器裝配到如圖5所示測試系統(tǒng)中，在反應溫度272℃，進料速度為6cm3h-1時考察了水醇比對微型反應器性能的影響。如圖10所示，當水醇比小于1.0時，甲醇轉化率隨著水醇比的增加而快速增大，當水醇比大于1.0時，甲醇轉化率的增速放緩。甲醇水蒸氣重整系統(tǒng)主要包括以下反應。圖10水醇比對微型反應器性能的影響(T=272℃,進料速率=6cm3h-1)甲醇水蒸氣重整反應:CH3OH+H2OCO2+3H2+49.4kJmol-1 (1)甲醇分解反應:CH3OH2H2+CO+92.0kJmol-1 (2)水汽轉化反應:CO+H2OCO2+H2—41.1kJmol-1 (3)根據(jù)較高的水醇比會使反應1向右進行，從而提高甲醇轉化率。同時還會使水汽轉化反應向右移動，從而使重整氣中的CO的濃度下降。但過高的水醇比會增加預熱和凈化過程的負擔，選擇水醇比在1.3至1.5之間是較為適宜的。4.5.反應時間的影響圖11反應時間對微型反應器性能的影響（T=282℃,水醇比=1.3，進料速率=6cm3h為了研究微型反應器性能的穩(wěn)定性，在溫度為282℃，進料