作品实例科技发明制作类

全国二等奖作品序号：编码：第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书作品名称：甲醇水蒸气重整制氢微型反应器学校全称：华东理工大学申报者姓名（集体名称）：袁彪类别：□自然科学类学术论文 □哲学社会科学类社会调查报告和学术论文■科技发明制作A类□科技发明制作B类报送方式：□省级报送作品■高校直送作品

说明1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。3．表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4．序号、编码由第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛全国组委会填写。5．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm）。6．发起高校的三件直送作品和各省（区、市）通过初评的作品（数量参照“作品数额分配方案”）各一式四份分别按全国组委会规定的时间用特快专递寄至全国竞赛组委会办公室。7．作品申报书须按要求由各省或各校竞赛组织协调机构统一寄送。8．其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。9．寄送地址：复旦大学团委第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛组委会办公室

A1．申报者情况（个人项目）说明：1．必须由申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）；2．本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。姓名袁彪性别男出生年月1981年4月申报者情况学校全称华东理工大学专业化工过程机械现学历硕士研究生年级二学制2.5年入学时间2003年9月作品全称甲醇水蒸气重整制氢微型反应器毕业论文题目铜系催化剂涂层的的力学性能通讯地址略去邮政编码200237单位电话略去常住地通讯地址略去邮政编码200237住宅电话略去合作者情况姓名性别年龄学历所在单位资格认定学校学籍管理部门意见是否为2005年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的各类高等院校中国学生（含专科生、本科生和研究生）。■是□否若是，其学号为：M0329001（部门盖章）2005年院系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果■是□否负责人签名：2005年

B3．申报作品情况（科技发明制作）说明：1．必须由申报者本人填写；2．3．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书；4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称甲醇水蒸气重整制氢微型反应器作品分类（A）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标（续前）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标（续前）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标（续前）发明的目的：1、随着能源和环境问题的日渐突出，氢能受到了人们前所未有的关注，成为当前乃至未来最具希望的能源之一。氢是理想的载能体，本身具有可再生性，燃烧时只生成水，可以实现真正的“二氧化碳零排放”。与其他能源相比，氢能量密度高（是汽油的2.68倍）；转化为动力时其热效率比常规化石能源高30-60%；作为燃料电池的燃料，效率高出1倍；适于管道输送，成本低，无传动部件，无噪声污染等。氢的这些突出优点使其在石油、化工、冶金、医药、航天、车辆、国防等行业和部门中得到了广泛的应用。目前氢能的利用主要是通过燃料电池来实现的。燃料电池是一种能量转换装置，等温地将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有高效、对环境友好、安静、可靠性高等优点，在运载工具、便携式电脑、手机等的应用中展现出诱人的前景。质子交换膜燃料电池由于能在室温附近工作，而且启动速度快，能源转化效率高，不仅可以替代普通的二次电池，还可以作为汽车等运载工具的动力源，取代常规的汽油、柴油发动机，大大降低环境污染。氢气作为质子膜燃料电池的主要燃料，其储存、运输等是制约燃料电池工业化的一个关键性问题。作为液体燃料，甲醇具有高能量密度、低碳含量，加之运输和贮存方便，是氢气的理想来源，所以以甲醇为原料制取氢气是最有效及最有发展前景的制氢工艺。2、目前，制氢原理主要是基于甲醇水蒸气重整反应的，其反应系统存在体积庞大，效率较低，制造成本高，安全性能差等显著缺点，对新型、高效、紧凑、安全的反应系统提出了发展要求。3、纳米科技的急速兴起，生态环境和能源问题成为焦点，新的形势对特种机械装置的微小化提出了迫切要求，涉及化学化工、热力过程微小化的微型（化学）化工机械系统应运而生。由于这些与过程工艺相关的部件不能同步微小化而阻碍了先进科技的发展。氢能提供了解决未来能源和环境问题无限可能，但应用于汽车、深海装置（潜艇等）时，制氢系统的微小化是关键。基于以上原因，作者将微型反应技术和甲醇水蒸气重整反应技术有机的结合在一起，设计制造出了性能优良的甲醇水蒸气重整制氢微型反应器。经试验验证，该种产品具有多重优点，相对常规设备在效率、应用范围、安全性等方面有质的提高。可以从根本上解决制约燃料电池技术产业化的瓶颈问题。发明的基本思路：目前国内对甲醇重整制氢微型反应器的研究仍处在起步阶段，尚未有报道；国外对这方面的研究也大都处于实验室阶段。其工艺路线为：首先设计刻蚀出微槽道，接着完成催化剂在微槽道内的均匀涂覆，最后利用高温胶对微型反应器进行封装。由于高温胶的封装质量较差，因此按这种工艺路线制造出来的甲醇重整制氢微型反应器存在很大的安全隐患，在应用上也存在一定的局限性。针对这些不足，利用扩散焊技术对甲醇重整制氢微型反应器进行封装，可实现结构的紧凑性和功能的安全性，并体现新世纪化工、机械产品安全、紧凑、高效、节能的发展目标。甲醇重整制氢微型反应器发明的基本思路为：1、通过电火花加工技术在铁-铬-铝不锈钢片上刻蚀出三种不同的形状，分别为微槽道，三角形和通孔。其中在铁-铬-铝不锈钢片上加工的三角形图案起到了缓流和匀流的作用，使流体在微槽道内均匀流动，提高微型反应器的效率。2、利用扩散焊技术对加工好的的铁-铬-铝不锈钢片进行封装，保证了微型反应器的焊接质量。3、利用激光焊技术将进气管和出气管焊接到微型反应器上，解决了接管和铁-铬-铝不锈钢薄片焊接的技术难题。4、将γ-Al2O3粉末和硝酸溶液混合制成溶胶，通过真空进料和氮气吹扫技术将形成的溶胶均匀涂覆在热处理后的微型反应器内壁上，经过干燥和烧结的工序后，用配制好的催化剂溶液进行浸渍，再经过干燥和烧结后制得所需的催化剂涂层，实现了催化剂在微型反应器槽道内的有效涂覆。创新点：1、利用铁-铬-铝不锈钢（牌号为DIN1.4767）作为制造甲醇水蒸气重整制氢微型反应器的材料，满足了扩散焊工艺对材料的特殊要求。2、在铁-铬-铝不锈钢片上刻蚀平行的微槽道和三角形，既保证了流体在反应器内的均匀流动，也实现了反应器的微型化。3、由于铁-铬-铝不锈钢片的厚度只有0.8mm，因此绝大多数焊接工艺都难以完成它们之间的焊合。作者首次尝试应用扩散焊技术对微型反应器进行封装，通过水压试验证明所研制的微型4、通过溶胶-凝胶技术实现了催化剂在微槽道内的有效涂覆，获得了优化的催化剂涂层。5、研制的甲醇水蒸气重整制氢微型反应器可以和11W的质子交换膜燃料电池配套使用。技术关键：1、在铁-铬-铝不锈钢片上刻蚀平行的微槽道和三角形，既保证了流体在反应器内的均匀流动，也实现了反应器的微型化。2、应用扩散焊技术对甲醇重整制氢微型反应器进行封装，通过水压试验证明研制的微型反应器具有较好的焊接质量。3、通过溶胶-凝胶技术实现了催化剂在微型反应器槽道内壁上的涂覆，获得了优化的催化剂涂层。主要技术指标：1、微槽道的几何尺寸为长32mm，宽1mm,深0.6m2、甲醇水蒸气重整制氢微型反应器的几何尺寸为40mm×40mm×8mm，质量为80g。3、微型反应器的内部承压小于1MPa。4、微型反应器的反应温度，进料速度和水醇比(水和甲醇的物质的量的比)分别控制在282℃、6cm3h-1、1.3。5、稳定的氢气产率，甲醇转化率和重整气中CO的体积浓度分别为0.37molh-1、90.2%和0.87%。6、稳定使用寿命大于100h。7、可以同11W的质子交换膜燃料电池配套使用。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）（续前）作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）（续前）传统的甲醇水蒸气重整制氢装置需要较长的气相反应时间（1-10s），并且反应装置过于庞大，携带和使用极为不便，因此设计和制造小型、功能增强的重整器是甲醇重整制氢反应器的发展方向。将微小型槽道反应应用于甲醇重整制氢装置的研究引起了各国的广泛关注[1~3]。微型反应器是微化工机械系统的核心部分，微化工机械系统技术是近年来顺应可持续发展与高技术发展的需要而兴起的多学科交叉的科技前沿领域，它是集微机电系统设计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路和微传感器制造技术的一种高新科技，涉及设计化学、材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工程技术和学科[4]。目前甲醇重整制氢系统的前沿技术是将微型反应技术和甲醇重整反应技术有机地结合在一起，制备甲醇水蒸气重整制氢微型反应器[5-7]。与传统的甲醇水蒸气重整制氢固定床式反应器相比，微型反应器具有以下特殊的优点：(1)在狭窄的通道中传热和传质的路径大大减少了。在传热和传质过程中传递距离具有很大的重要性。微反应技术的原理之一就是要减少这些传递距离，并通过小的流动通道来增强传递效果。一般通道的宽度为10-500µm，可以应用[8](1)其中tmin是达到完全混合所需的时间，I是传递距离，D是扩散系数。因此，在混合时间和传递距离之间有一个二次方的依赖性，这意味减少流道尺寸将导致更短的扩散时间。所以，微混合器通常在毫秒级范围即可达到反应物的充分混合，在这个时间范围混合距离为µm级。因为甲醇重整制氢反应是一个强吸热反应，传热和传质的效果对反应有很大的影响，所以微反应技术应用于车载甲醇制氢系统是非常合适的。(2)微型反应器的表面积/体积比率非常大，对于一个体积为1cm3，通道截面积为100µm×70µm的微热交换器的表面/体积比率大约是26200m2/m3，其可传导的热功率达20kw，传热系数可达25kw/m2k(3)小的管道尺寸是一个重要的安全因子，因为火焰的扩展在微结构反应器中会受到抑制。因此，这些反应器可以在爆炸范围操作，而不需要附加任何特殊的安全措施。现在的甲醇重整制氢系统流行的做法是将燃料电池的阳极尾气在Pt催化剂上进行催化燃烧，将产生的热量提供给甲醇重整反应系统，所以安全性对于该系统是一个基本前提。(4)微结构的规整性对于模拟和放大有很大的便利性。显然，因为在反应动力学、传质和传热及流体力学之间有协调平衡的问题，所以对于不同的反应体系有不同的最佳通道几何尺寸，通道的规整性是微反应技术的重要优点之一。这样针对不同功率的燃料电池可以简单的通过并联多个微型反应装置进行调节，避开了令人头痛的放大环节[9]。与已经报导的甲醇重整制氢微型反应器相比。由于该设备应用扩散焊技术进行封装，故其机械性能有了极大程度的提高，应用范围更广。设计的甲醇水蒸气重整制氢微型反应器以大量的试验为基础，成功解决了微型化工机械系统中存在的微槽道的设计加工，扩散焊的高质量封装和催化剂在微型反应器内的有效涂覆三大技术难题。通过甲醇水蒸气重整制氢试验，研制的微型反应器（内含125条微槽道）的氢气产率，甲醇转化率和重整气中CO的体积浓度分别为0.37molh-1、90.2%和0.87%。可以同11W的质子交换膜燃料电池配套使用。综上所述，与常用的甲醇水蒸气重整制氢固定床式反应器相比，该微型反应器具有体积小、安全性好、传热、传质效率高，便于放大等四大突出优点；与已经报导的甲醇水蒸气重整制氢微型反应器相比，由于该设备利用扩散焊技术进行封装，极大提高了它的机械性能。与CO净化系统相配套实现现场制氢将满足军事、运输、电子设备等行业对燃料电池技术的要求。参考文献:[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]王乐夫,张美英.微化学工程中的微反应技术.化学反应工程与工艺,2001,17(2):174-179[9]A.Rouge,B.Spoetzl,S.Schenk,etal.,Microchannelreactorsforthefastperiodicoperation.Thecatalyticdehydrationofisopropanol[J].Chem.Eng.Sci,2001,56:作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果2005年6月上海市上海高校学生“创造发明三枪杯奖”作品所处阶段（A）A实验室阶段B中试阶段C生产阶段D（自填）技术转让方式作品可展示的形式□实物、产品□模型□图纸□磁盘□现场演示□图片□录像■样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测（续前）技术特点和优势：该设备以铁-铬-铝不锈钢（牌号为DIN1.4767）作为原材料；应用扩散焊技术对微型反应器进行封装；通过水压试验发现制造的微型反应器具有较好的焊接质量；通过溶胶-凝胶技术实现了催化剂在微型反应器槽道内的有效涂覆。该设备具有重量轻，体积小，安全性好，传热、传质效率高，便于放大五大突出优点。适用范围：应用此项技术将部分地实现现场制氢，一方面可以有力的推动燃料电池电动设备的产业化，另一方面可以同便携式燃料电池相配套，对手机，手提电脑等电子设备带来革命性的变化。市场分析和经济效益预测：该项技术对我国的经济和军事都将产生重要的影响。它将成为电动车、不依赖空气推动的潜艇动力源和各种可移动电源的最佳候选者。隐身战车，数字化军队等都是该项技术应用的广阔舞台。其潜在的经济、市场，国家安全的价值十分巨大，很难用具体的数字衡量。正如Patil[1]所说，此项技术连同与之相关的燃料电池技术将会给人类带来革命化的变化。参考文献：[1]A.S.Patil,T.G.Dubois,N.Sifer,etal.,PortablefuelcellsystemsforAmerica’sarmy:technologytransitiontothefield[J].J.PowerSources,2004,136:220-225专利申报情况□提出专利申报申报号申报日期年月日□已获专利权批准批准号批准日期年月日■未提出专利申请科研管理部门签章情况属实2005年

C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写；2.填写此栏有助于评审。随着能源和环境问题的日渐突出，氢能受到了人们前所未有的关注，成为当前乃至未来最具希望的能源之一。氢是理想的载能体，本身具有可再生性，燃烧时只生成水，可以实现真正的“二氧化碳零排放”。与其他能源相比，氢能量密度高（是汽油的2.68倍）；转化为动力时其热效率比常规化石能源高30-60%；作为燃料电池的燃料，效率高出1倍；适于管道输送，成本低，无传动部件，无噪声污染等。氢的这些突出优点使其在石油、化工、冶金、医药、航天、车辆、国防等行业和部门中得到了广泛的应用。目前氢能的利用主要是通过燃料电池来实现的。燃料电池是一种能量转换装置，等温地将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有高效、对环境友好、安静、可靠性高等优点，在运载工具、便携式电脑、手机等的应用中表现出诱人的前景[1-2]。质子交换膜燃料电池由于能在室温附近工作，而且启动速度快，能源转化效率高，不仅可以替代普通的二次电池，还可以作为汽车等运载工具的动力源，取代常规的汽油、柴油发动机，大大降低环境污染[3]。氢气作为质子膜燃料电池的主要燃料，其储存、运输等是制约燃料电池工业化的一个关键性问题。作为液体燃料，甲醇具有高能量密度、低碳含量，加之运输和贮存方便，是氢气的理想来源，所以以甲醇为原料制取氢气是最有效及最有发展前景的制氢工艺。目前，制氢原理主要是基于甲醇水蒸气重整反应的，其反应系统存在体积庞大，效率较低，制造成本高，安全性能差等显著缺点，对新型、高效、紧凑、安全的反应系统提出了发展要求。纳米科技的急速兴起，生态环境和能源问题成为焦点，新的形势对特种机械装置的微小化提出了迫切要求，涉及化学化工、热力过程微小化的微型（化学）化工机械系统应运而生。由于这些与过程工艺相关的部件不能同步微小化而阻碍了先进科技的发展。氢能提供了解决未来能源和环境问题无限可能，但应用于汽车、深海装置（潜艇等）时，制氢系统的微小化是关键。将微型反应技术和甲醇水蒸气重整反应技术有机的结合在一起，设计制造甲醇水蒸气重整制氢微型反应器成为研究的热点[4-6]。目前从事微槽道反应器技术研究的主要有美国杜邦公司、麻省理工学院、太平洋西北国家研究所、德国的美茵兹微技术研究所、巴斯夫和拜耳等著名公司、英国的壳牌公司等[7-10]。此项研究国外大多处于实验室阶段，而国内对甲醇重整制氢微型反应器的研究仍处在起步阶段，尚未有报道。美国的太平洋西北国家研究所早在1992年就开始研究微型反应器，现在已成功开发出了微通道的热交换器、分离器，以及应用于燃料电池的H2发生系统[11]；并研制出可与40W燃料电池配套的微槽道反应器，该反应器由蒸发，甲醇重整和换热三个单元组成[12]。Park[13]等人利用刻蚀微槽道的不锈钢薄片研制出一种新型的甲醇水蒸气重整制氢微型反应器，如图1所示。首先在微槽道内涂覆催化剂，然后利用高温胶对甲醇重整制氢微型反应器进行封装，甲醇水蒸气重整制氢微型反应器的尺寸为70mm×40mm×30mm，可以同15W的质子交换膜燃料电池配套。图1甲醇水蒸气重整制氢微型反应器Pfeifer[14]等人在100µm×100µm微槽道内固定了纳米ZnO催化剂，用于甲醇水蒸气重整制氢反应。本人利用铁-铬-铝不锈钢作为制作微型反应器的材料，通过电火花加工在铁-铬-铝不锈钢片上刻蚀出三种形状，如图2所示。作为微型反应器两边盖板（如图2a）的不锈钢片共有两片，加工两个通孔作为流体进出的通道。作为微槽道缓流板（如图2b）的不锈钢片共有6片，加工一个有利于流体均匀分布的贯通的三角形图案。加工有贯通式微槽道的不锈钢片（如图2c）共有5片，是重整反应的主要场所。微槽道的尺寸为宽1mm，深0.6mm，长32mm，共刻蚀125条。加工好的铁-铬-铝不锈钢片按图1所示的顺序排列，然后通过扩散焊工艺进行微型反应器的封装。封装好的微型反应器尺寸为4然后将微型反应器在1000℃进行5个小时的热处理，以使铁-铬-铝不锈钢表面生成一层Al2O3薄膜，来加强金属基体同催化剂涂层的附着力[15]。在γ-Al2O3粉末中加入硝酸溶液，在室温下搅拌1小时，陈化2个小时，形成溶胶。通过真空进料和氮气吹扫技术将形成的溶胶均匀涂覆在热处理后的微型反应器内壁上。室温下干燥1小时，然后在真空干燥箱中于105℃下干燥1小时。在马弗炉中以一定温度进行烧结，然后用催化剂溶液进行浸渍，最后经干燥和烧结后制得微型反应器所需的催化剂涂层。(c)(a)(c)(a)(b)图2不锈钢片装配图图3微型反应器（40mm×40mm×8mm）该作品成功解决了微型化工机械系统中存在的微槽道加工，扩散焊的高质量封装以及催化剂在微型反应器内的有效涂覆三大技术难题。通过甲醇水蒸气重整制氢试验，研制的微型反应器氢气产率、甲醇转化率和重整气中CO的体积百分比浓度分别为0.37molh-1、90.2%和0.87%。可以和11W的燃料电池配套使用。综上所述，与常用的甲醇水蒸气重整制氢固定床式反应器相比，该微型反应器具有体积小、安全性好、传热、传质效率高，便于放大四大突出优点。与国外已经报道的甲醇水蒸气重整制氢微型反应器相比，由于该设备利用扩散焊技术对微型反应器进行封装，极大提高了该设备的机械性能。该设备与CO净化系统相配套实现现场制氢将满足军事、运输、电子设备等行业对燃料电池技术的要求。参考文献：[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]黄倬,屠海令,张冀强,等.质子交换膜燃料电池的研究开发与应用.北京:冶金工业出版社,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.Löwe,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.推荐者情况及对作品的说明说明：1．由推荐者本人填写；2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）；3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。推荐者情况姓名袁渭康性别男年龄70职称教授中国工程院院士工作单位华东理工大学化工学院通讯地址略去邮政编码200237单位电话住宅电话略去推荐者所在单位签章情况属实（签章）2005请对申报者申报情况的真实性作出阐述该申报作品是在王正东教授的指导下完成的,并有实物。微型反应器制造方法、性能也合理。申报材料真实。请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价微型反应装置是国内外研究热点，预计在化工、生物医学、军事、航天、日常生活等领域都将有广泛的应用。国内目前研究刚刚起步。本作品以甲醇重整制氢为体系，有明确的应用背景。提出了原位催化剂制备和反应器封装工艺，因而在反应器性能满足要求后能够很快投入市场。其它说明推荐者情况姓名涂善东性别男年龄43职称长江学者计划特聘教授工作单位华东理工大学机械与动力工程学院通讯地址上海市梅陇路130号邮编200237单位电话略去住宅电话略去推荐者所在单位签章情况属实签章日期2005请对申报者申报情况的真实性作出阐述袁彪同学入学后，以铜系催化剂涂层的力学性能为研究课题，但同时对微能源系统别有兴趣，提出了甲醇制氢微反应器制造的设想，并在于新海同志的协助下成功实现了微型反应器的高效制氢。请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价该作品为微型化工机械系统的制造与应用提供了一个成功的范例，制造技术已达到国际先进水平。甲醇水蒸气重整制氢微型反应器为未来便携式能源系统在诸多高技术领域（运载、国防、太空与深海探险等）的应用提供了重要的物质基础，该制造技术还适于高温燃料电池的应用，前景十分广阔。其它说明推荐者情况姓名钟建江性别男年龄40职称长江学者计划特聘教授工作单位华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室通讯地址上海市梅陇路130号邮编200237单位电话略去住宅电话略去推荐者所在单位签章情况属实签章日期2005请对申报者申报情况的真实性作出阐述该同学的申报作品是在王正东教授的指导下完成的，据了解申报作品真实。请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价能源是全世界各国普遍关注的最大课题，尤其对我国下一轮发展来说现实意义深远，制氢是能源问题中一个非常受关注的方向。从学科发展来说，微型反应器是当前化工工业制造系统中最先进技术的一个重要组成部分。本课题设计完成的甲醇水蒸气重整制氢微型反应器技术水平高，不但对能源领域，而且对相关高技术领域，比如国防安全、太空与探险等，均具有十分诱人的应用前景。其它说明学校组织协调机构确认并盖章同意推荐（团委代章）2005校主管领导或校主管部门确认盖章同意2005各省（区、市）评审委员会初评意见评委签名：年月日各省（区、市）组织协调委员会审定意见团委科协教育厅学联（签章）（签章）（签章）（签章）年月日

E．全国组织委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见审查人（签名）年月日组委会秘书处形式审查意见审查人（签名）年月日组委会秘书处审查结果□合格□不合格负责人（签名）年月日

F．一等奖作品正文甲醇水蒸气重整制氢微型反应器研究报告袁彪华东理工大学机械与动力工程学院指导教师王正东[摘要]针对燃料电池系统氢源稳定性问题，应用特殊的微加工和扩散焊技术，开发设计了一种新型、高效的甲醇水蒸气重整制氢微型反应器。通过溶胶-凝胶技术将催化剂涂层负载到微型反应器的内壁上。试验研究分析了反应温度、进料速度、水醇比（水和甲醇的物质的量的比）、反应时间对甲醇水蒸气重整制氢微型反应器性能的影响。结果表明该微型反应器的氢气产量可满足11W燃料电池的需要，为未来便携式能源系统在诸多高技术领域的应用提供了可行性。[关键词]微型反应器，甲醇水蒸气重整，燃料电池，氢[Abstract]Todevelopareliablehydrogensupplysystemforfuelcells,anewandefficientmethanol-steamreformermicroreactorwassuccessfullydevelopedbyusingspecificmicro-processingtechnologyanddiffusionbonding.Thecatalyticmaterialswerecoatedontheinnerwallbymeansofsol-gelandimpregnation.Theeffectsofreactiontemperature,spacevelocity,molarratioofwatertomethanol,andreactiontimeontheperformanceofthemicroreactorwereinvestigated.Theresultsshowthatthedevelopedmicroreactorcangenerateenoughhydrogenforapoweroutputof11W,andthefeasibilityoftheportableenergysystem,appliedinmanyhightechnologyfields,hasbeenprovided.[Keywords]Microreactor;Methanol-steamreformer;Fuelcell;Hydrogen1研究背景随着能源和环境问题的日渐突出，氢能受到了人们前所未有的关注，成为当前乃至未来最具希望的能源之一。氢是理想的载能体，本身具有可再生性，燃烧时只生成水，可以实现真正的“二氧化碳零排放”。与其他能源相比，氢能量密度高（是汽油的2.68倍）；转化为动力时其热效率比常规化石能源高30-60%；作为燃料电池的燃料，效率高出1倍；适于管道输送，成本低，无传动部件，无噪声污染等。氢的这些突出优点使其在石油、化工、冶金、医药、航天、车辆、国防等行业和部门中得到了广泛的应用。目前氢能的利用主要是通过燃料电池来实现的。燃料电池是一种能量转换装置，等温地将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有高效、对环境友好、安静、可靠性高等优点，在运载工具、便携式电脑、手机等的应用中展现出诱人的前景[1-2]。质子交换膜燃料电池由于能在室温附近工作，而且启动速度快，能源转化效率高，不仅可以替代普通的二次电池，还可以作为汽车等运载工具的动力源，取代常规的汽油、柴油发动机，大大降低环境污染[3]。氢气作为质子膜燃料电池的主要燃料其储存、运输等是制约燃料电池工业化的一个关键性问题。作为液体燃料，甲醇具有高能量密度、低碳含量，加之运输和贮存方便，是氢气的理想来源，所以以甲醇为原料制取氢气是最有效及最有发展前景的制氢工艺。目前，制氢原理主要是基于甲醇水蒸气重整反应的，其中将微型反应技术和甲醇水蒸气重整反应技术有机地结合在一起制备微小型的甲醇水蒸气重整反应器是关键技术[4-6]。微型反应器具有以下的优点：比表面积高；微槽道内的流动为层流使得压力降降低；径向扩散时间的缩短可以对接触时间进行优化，有利于减少副产物；良好的传热和传质效果大大缩短了对外界条件变化的反应时间；小的尺寸提高了反应器的安全因子；有利于放大[7]。近来关于甲醇水蒸气重整微型反应器的研究取得令人振奋的进展：美国太平洋西北国家实验室研制出可与40W燃料电池配套的甲醇重整制氢微型反应器[8]。Park制备出外形尺寸为70mm×40mm×30mm的甲醇水蒸气重整微型反应器，可以同15W的质子交换膜燃料电池配套使用[9]。但以上报道的微型反应器采用的是首先在每一层槽道内涂覆催化剂，然后再通过粘接的方法将每一层的槽道联接起来的制备方法，这种工艺烦琐而且产品的质量难以保证。本研究报告以甲醇水蒸气重整制氢反应为研究对象，通过电火花加工技术，扩散焊封装技术，溶胶-凝胶技术成功研制出一种新型的微型反应器，并考察了反应温度、水醇比、进料速度、反应时间对甲醇水蒸气重整制氢微型反应器性能的影响，得到了甲醇水蒸气重整制氢微型反应器应用的最佳条件。2甲醇水蒸气重整微型反应器的设计制造用牌号DIN1.4767的铁-铬-铝不锈钢作为制作微型反应器的材料，通过电火花加工在铁-铬-铝不锈钢片上刻蚀出三种形状，如图1所示。作为微型反应器两边盖板(如图1.(a))的不锈钢片共有两片，加工两个通孔作为流体进出的通道。作为微槽道缓流板(如图1.(b))的不锈钢片共有6片，加工一个有利于流体均匀分布的贯通的三角形图案。加工有贯通式微槽道的不锈钢片(如图1.(c))共有5片，是重整反应的主要场所。微槽道的尺寸为长32mm，宽1mm,深0.6mm，共刻蚀125条。加工好的铁-铬-铝不锈钢片按图2所示的顺序排列，然后通过扩散焊工艺进行微型反应器的封装，焊接设备如图3所示。封装好的甲醇重整制氢微型反应器尺寸为40mm×40mm×8mm，如图4所示。微型反应器首先在1000℃进行5个小时的热处理，使铁-铬-铝不锈钢表面生成一层Al2O3薄膜，来在γ-Al2O3粉末中加入硝酸溶液，在室温下搅拌1小时，陈化2个小时，形成溶胶。通过真空进料和氮气吹扫技术将形成的溶胶均匀涂覆在热处理后的微型反应器内壁上。室温下干燥1小时，然后在真空干燥箱中于105℃下干燥1小时。在马弗炉中以一定温度进行烧结，然后用催化剂溶液（该催化剂为本实验室生产，性能优良）进行浸渍，经干燥和烧结后制得所需催化剂涂层。(a)(a)(b)(b)(c)(c)图1电火花加工刻蚀的三种不锈钢片：（a）盖板（b）缓流板（c）微槽道板图2不锈钢片装配图图3真空扩散焊机图4微型反应器（40mmX40mmX8mm）测试装置实验装置如图5所示（此实验装置为实验室原有设备，无需重新搭建）。将甲醇重整制氢微型反应器放在一个恒温加热炉中，反应温度控制在200~300℃，由AI智能温度控制仪控制炉子的温度，控制精度±1℃。首先向微型反应器中通入H2:N2=1:9（体积比）的混合气体，流量为300cm3min-1。以3℃min-1升温至280℃，活化4个小时。然后关闭H2,将温度调节至所需要的反应温度下，再关闭N2，通过计量泵将甲醇和水按一定的比例先经过汽化室汽化，然后进入甲醇重整制氢微型反应器进行反应，在微型反应器的进出口放置热电偶测量温度。待反应稳定1个小时后，进行取样分析图5甲醇重整制氢实验装置1:料罐2:计量泵3:汽化室4:反应炉5:热电偶6:微型反应器7:冷阱8:气体流量计9:气相色谱仪(FID&TCD)10:计算机（配有气相色谱工作站）4性能表征和影响因素分析4.1.微型反应器的性能表征(1)(1)(2)图6图6铁-铬-铝不锈钢片扩散焊接头的电镜照片图7催化剂涂层同不锈钢片结合面处的电镜照片.铁-铬-铝不锈钢片扩散焊接头的电镜照片如图6所示。在焊接界面处可见少量的微小孔洞，整个界面的焊合率达到了90%以上。在室温20℃，内压1MPa下对扩散焊后的微型反应器进行了水压实验，没有发现任何泄露，说明制造的微型反应器具有较好的焊接质量。图7为涂覆在经过热处理后的铁-铬-铝不锈钢片上的催化剂涂层的SEM图，（1）代表催化剂载体，（2）代表金属基体。金属基体和催化剂涂层界面处观察不到明显的裂纹和涂层脱落现象，可见催化剂涂层同金属表面结合是非常紧密的。4.2.反应温度的影响将甲醇水蒸气重整制氢微型反应器装配到如图5所示测试系统中，考察反应温度对微型反应器性能的影响。如图8所示，甲醇的转化率随着温度的升高而升高，这主要是由于甲醇水蒸气反应是一强吸热反应所决定的。而在微型反应器中，CO的浓度却随着反应温度的升高发生波动。这可能是由于微型反应器的特殊形式或者涂层催化剂的特殊结构所造成的。图8反应温度对微型反应器性能的影响（进料速率=6cm3h-1,水醇比=1.3）4.3.进料速度的影响将甲醇水蒸气重整制氢微型反应器装配到如图5所示测试系统中，在反应温度为272℃，水醇比为1.3时考察了进料速度对于微型反应器性能的影响。由图9可见，伴随进料速度的增加，甲醇转化率和重整气中的CO的浓度都降低。图9进料速度对微型反应器性能的影响(T=272℃,水醇比=1.3)4.4.水醇比的影响将甲醇水蒸气重整制氢微型反应器装配到如图5所示测试系统中，在反应温度272℃，进料速度为6cm3h-1时考察了水醇比对微型反应器性能的影响。如图10所示，当水醇比小于1.0时，甲醇转化率随着水醇比的增加而快速增大，当水醇比大于1.0时，甲醇转化率的增速放缓。甲醇水蒸气重整系统主要包括以下反应。图10水醇比对微型反应器性能的影响(T=272℃,进料速率=6cm3h-1)甲醇水蒸气重整反应:CH3OH+H2OCO2+3H2+49.4kJmol-1 (1)甲醇分解反应:CH3OH2H2+CO+92.0kJmol-1 (2)水汽转化反应:CO+H2OCO2+H2—41.1kJmol-1 (3)根据较高的水醇比会使反应1向右进行，从而提高甲醇转化率。同时还会使水汽转化反应向右移动，从而使重整气中的CO的浓度下降。但过高的水醇比会增加预热和净化过程的负担，选择水醇比在1.3至1.5之间是较为适宜的。4.5.反应时间的影响图11反应时间对微型反应器性能的影响（T=282℃,水醇比=1.3，进料速率=6cm3h为了研究微型反应器性能的稳定性，在温度为282℃，进料