可擴展化學反應器及其操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及(電)化學反應器的領(lǐng)域、及其操作方法。特別地，它旨在被設(shè)計用于使能在k種化學流體間的N個配對(pairwise)流體接觸的可擴展化學反應器，其中k多2且N多4，具有到光伏裝置和微電子封裝的可能應用。
【背景技術(shù)】
[0002]微尺度反應器為已知的，其提供熱和質(zhì)量(mass)轉(zhuǎn)移的高速率。常規(guī)的微制造工藝為已知的，從而廉價的大規(guī)模生產(chǎn)是當前可得的。此外，歸因于已知的技術(shù)，可以實現(xiàn)良好控制的層流流動。
[0003]在2002年首次報道微流體電化學能量轉(zhuǎn)化的論證(見例如，F(xiàn)errigno等人，Journal of the American Chemical Society 124，12930-1 (2002) ；Choban 等人，PowerSources Proceedings 40，317-320(2002))。
[0004]在該領(lǐng)域或鄰近領(lǐng)域中已經(jīng)提交若干專利(申請)，其示出了【背景技術(shù)】，例如:US7758814 B2 ；US 2012 0070766 Al ；US 7651797 B2 ；US 7435503 B2 ；W0 2010 083219 Al ；CA 2354513 C ；US 2009/0291347 Al 以及 US 7909971 B2。該列表并不是窮盡的。一些論文在非專利文獻中可得到的(未提及)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)第一方面，本發(fā)明被實現(xiàn)化學反應器，所述化學反應器被設(shè)計用于使能在k種化學流體間的N個配對流體接觸，其中k多2且N多4，所述反應器包括:
[0006]-基本上在通過優(yōu)選垂直的兩個方向限定的2D平面中延伸的反應層，所述反應層包括N個化學基元，每個包括兩個回路部分，所述兩個回路部分被設(shè)計用于分別使能所述k種化學流體中的兩種的流通，所述兩個回路部分進一步彼此相交，從而使能所述k化學流體中的所述兩種的一個配對流體接觸；
[0007]-流體分配回路，包括:
[0008]入口孔的k個集合，沿平行于所述兩個方向(x，y)中的一個(y)的線依次交替，用于分別分配k種化學流體到所述反應層；以及
[0009]出口孔的k個集合，沿平行于所述入口孔的線依次交替，用于分別收集來自所述反應層的k種化學流體，所述出口孔關(guān)于所述入口孔沿所述兩個方向中的所述一個(y)移動，
[0010]以及其中，
[0011]每個回路部分經(jīng)由其各自的端部而將入口孔連接到出口孔。
[0012]在實施例中，上述的化學反應器進一步包含一個或多個的下面的特征:
[0013]-每個所述孔接合四個回路部分的端部，所述四個回路部分中的每個屬于不同的化學基元，所述不同的化學基元在所述反應平面中鄰近；
[0014]-所述反應層和所述流體分配回路形成2D周期性陣列，所述陣列的單元基元在所述2D平面中通過沿所述兩個方向中的一個或每個的平移而周期性重復；
[0015]-k = 2 ;所述孔中的每個接合屬于不同的化學基元的四個回路部分的端部，所述不同的化學基元在所述反應平面中鄰近；并且每個單元基元包含:
[0016]O四個化學基元；
[0017]O八個回路部分；
[0018]O兩個入口孔；以及
[0019]O兩個出口孔；
[0020]-其中，所述流體分配回路至少包括第一歧管(Ml)，后者包括若干平行通道，每個垂直于所述兩個方向中的所述一個并且與入口孔的所述k個集合中的一個或出口孔的所述k個集合中的一個的孔流體連通；
[0021]-所述流體分配回路進一步包括一個或多個附加歧管，第η附加歧管(M2)包括若干平行通道，每個通道關(guān)于第(η-1)歧管(Ml)的通道旋轉(zhuǎn)，并且與第(η-1)歧管的通道流體連通；
[0022]-通過兩個疊加的層形成歧管，所述兩個疊加的層的第一個包含作為通孔的孔，并且所述兩個疊加的層的第二個包含作為通孔的通道；
[0023]-所述出口孔以小于沿所述兩個方向中的所述一個的兩個鄰近入口孔之間的距離的距離而移動，并且優(yōu)選地，移動兩個鄰近入口孔之間的所述距離的一半；以及
[0024]-所述反應器為電化學反應器，并且其中每個連接相同的入口孔到相同的出口孔的兩個回路部分通過在所述反應器中作為電極耦合的壁分開，以便沿所述兩個方向中的所述一個鄰近的兩個化學基元共享所述電極。
[0025]根據(jù)另一方面，本發(fā)明實現(xiàn)為光伏裝置，諸如:光伏基元；光伏模塊；或包含光伏基元的陣列或光伏模塊的陣列的光伏系統(tǒng)；所述光伏裝置包含:
[0026]-電氣連接到光伏電極的集合的至少一個光伏表面；以及
[0027]-根據(jù)上述實施例中的任何一個的化學反應器，電氣連接到光伏電極的所述集合。
[0028]根據(jù)另一方面，本發(fā)明實現(xiàn)為操作根據(jù)所述先前實施例中的任何一個的設(shè)備的方法，所述方法包含:通過下列方式使能N個配對流體接觸:
[0029]經(jīng)由入口孔的k個集合，分配k種化學流體到所述反應層，其中k多2，以便，在每個所述N個化學基元中，所述k種化學流體中的兩種在兩個各自的回路部分中流通，形成接觸并由此使能化學反應；以及
[0030]經(jīng)由出口孔的k個集合收集來自所述反應層的k種化學流體。
[0031]優(yōu)選地，所述反應器為諸如上文限定的電化學反應器，并且所述方法進一步包括:分別向電極分配電荷或從電極收集電荷，其中所述電極中的每個分開每個都連接相同的入口孔到相同的出口孔的兩個回路部分，從而所述電極中的每個通過沿所述兩個方向中的所述一個鄰近的兩個化學基元共享。
[0032]將通過非限制性實例的方式并參考附圖描述本發(fā)明實現(xiàn)的設(shè)備、裝置以及方法。
【附圖說明】
[0033]-圖1為在根據(jù)實施例的化學反應器中使用的化學基元的實例的簡化表示的2D視圖；
[0034]-圖2為根據(jù)實施例的化學反應器的反應層的簡化表示的2D視圖，其中，反應層包含如在圖1中示出的若干化學基元；
[0035]-圖3為根據(jù)實施例的與圖2的反應層兼容的化學反應器的流體分配回路的第一歧管的簡化表示的2D視圖；
[0036]-圖4為如在實施例中疊加到圖2的反應層的視圖的圖3的第一歧管的2D視圖；
[0037]-圖5為根據(jù)實施例與圖3或4的第一歧管兼容的化學反應器的流體分配回路的第二歧管的簡化表示的2D視圖；
[0038]-圖6為疊加到圖3的視圖的圖5的第二歧管的2D視圖；
[0039]-圖7為如在實施例中一樣的疊加到圖4的視圖的圖5的第二歧管的2D視圖；
[0040]-圖8為沿圖2的線(平面)PP獲得的截面視圖(簡化表示)；
[0041]-圖9為包含諸如在圖1-8中示出的元件并且根據(jù)實施例的化學反應器的3D視圖；
[0042]-圖10示出根據(jù)實施例包含光伏模塊的陣列和化學反應器的光伏裝置；
[0043]-圖11為示出操作根據(jù)實施例的設(shè)備的方法的步驟的流程圖；以及
[0044]-圖12A-C示出根據(jù)實施例用于諸如在圖2中示出的反應層并在電化學反應器中使用的三個不同的電極布線配置。
【具體實施方式】
[0045]下述描述如下安排。首先，描述一般實施例和高級變體(部分I)。下一部分解決更具體的實施例和技術(shù)實現(xiàn)細節(jié)(部分2)。
[0046]1.一般實施例和高級變體
[0047]通常參考圖1到10，首先描述本發(fā)明的一方面，其涉及化學反應器。將該反應器CR設(shè)計用于使能在k種化學流體中的N個配對流體接觸。為了簡化，在附圖中對于k = 2種流體示出本發(fā)明暗含的幾何概念。然而，最通常概念對于k多2是有效的，如在從下文描述中顯而易見的。
[0048]反應器主要包含反應層RP和流體分配回路Ml、M2，現(xiàn)在將進行描述。
[0049]首先，如在圖2中所示，反應層RP基本上在2D平面中(即，通過典型地垂直的兩個方向x、y限定，如在圖2中所述見)延伸。該反應層包含若干化學基元CC。反應層RP也被稱為“轉(zhuǎn)換平面”、“轉(zhuǎn)換層”等。
[0050]在圖1中示出化學基元的實例。該基元包括兩個回路部分CP1、CP2(回路部分通過參考符號CP通用表示)。將這些回路部分的每個設(shè)計用于流通化學流體A、B，以便一個化學基元的兩個部分分別使能k種化學流體中的兩種的流通(即，兩個部分中的每個使能k種化學流體中的一個的流通)。如在圖1中進一步所見，回路部分CP1、CP2彼此相交，這導致一個配對流體接觸(針對兩種流體A、B)。在相對大的重疊區(qū)域之上，回路部分典型地彼此相交。為了該目的，它們具有破碎的形狀(broken shape)或是彎曲的(或具有任何其它適于的形狀)，如在圖1中所示。
[0051]第二，流體分配回路主要包括入口孔和出口孔的集合，這些孔在圖1-4和8-9中每個中可見。
[0052]更精確地，流體分配回路包含入口孔的k個集合(k彡2)，即集合和流體一樣多。如在圖2中所見(其中k = 2)，孔IA、IB沿平行于方向y的線依次交替。更詳細地，將入口孔IA、IB沿平行于方向y的線設(shè)置，并且沿這些線中的每個，入口孔依次交替以形成諸如IB-1A-1B-…的序列。入口孔允許用于分配化學流體(例如，兩種化學流體A、B)中的每個到反應層RP。更通常地，入口孔的k個集合允許用于分別分配k種化學流體。
[0053]類似地，流體分配回路進一步包含出口孔OA’、OB’的k個集合，出口孔沿(嚴格)平行于入口孔(因此也平行于相同的方向y)的線依次交替。這導致序列OB’ -0A’ -OB’ -…沿垂直方向y平行于序列IB-1A-1B-…。出口孔意味著從反應層分別收集k種化學流體。如在圖1(或2)中所示，每個回路部分CP1、CP2經(jīng)由其各自的端部而連接入口孔(I