一种多孔微通道的载体及其制备方法
阅读说明：本技术 一种多孔微通道的载体及其制备方法 (Carrier of porous micro-channel and preparation method thereof ) 是由 陈敏生 刘杰 范彦斌 郑泽锦 亢志颖 朱涛 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种多孔微通道的载体,所述载体包括载体板以及设置在所述载体板一侧并与所述载体板一体成型的多个单元体,多个所述单元体包括第一凸台以及第二凸台,所述第一凸台与所述第二凸台均垂直于所述载体板并等间距分布；所述第一凸台与所述第二凸台交错设置且相互平行；所述第一凸台上设置有第一微孔,所述第二凸台上设置有第二微孔,且所述第一微孔以及所述第二微孔错开设置。本发明制备的载体具有多个单元体,且单元体上设置有第一微孔以及第二微孔,使得载体整体上具有较多的微孔通道,有效增加比表面积,使其具有显著的导热性能,有助于载体的层叠扩展。另外,制备的载体能增加催化剂的附着量和附着面积,提高反应的转化率。(The invention provides a carrier of a porous microchannel, which comprises a carrier plate and a plurality of unit bodies, wherein the unit bodies are arranged on one side of the carrier plate and are integrally formed with the carrier plate; the first bosses and the second bosses are arranged in a staggered manner and are parallel to each other; the first boss is provided with a first micropore, the second boss is provided with a second micropore, and the first micropore and the second micropore are arranged in a staggered mode. The carrier prepared by the invention is provided with a plurality of unit bodies, and the unit bodies are provided with the first micropores and the second micropores, so that the carrier has more micropore channels on the whole, the specific surface area is effectively increased, the carrier has remarkable heat-conducting property, and the carrier is beneficial to the stacking expansion of the carrier. In addition, the prepared carrier can increase the adhering amount and the adhering area of the catalyst and improve the conversion rate of the reaction.)
技术领域
本发明涉及反应载体制备领域，具体而言，涉及一种多孔微通道的载体及其制备方法。
背景技术
随着新能源汽车产业发展日趋成熟，作为实现途径之一的燃料电池技术越来越被重视，由此也会将带动氢能产业链的整体发展。甲醇重整制氢是目前普遍采用的方法之一，但是，负载催化剂的载体性能却一直限制着催化效率的提高。因此，开发具有高催化效率的催化载体是一个具有实用价值的方向。目前，制备催化载体的方法主要为发泡法、定向铜纤维烧结毡法以及铣削法，但是发泡法制造出的反应载体热传递效率低，并且多孔微通道结构的孔型孔径以及孔隙率均不可控；定向铜纤维烧结毡法制备的反应载体导热性差，不利于反应载体的层叠扩展，并且多孔微通道结构的孔型孔径以及孔隙率均不可控；铣削法难以制造出具有复杂形状的多孔微通道结构的反应载体。总体上不利于催化剂的附着以及氢气的转化。
综上，在反应载体制备领域，仍然存在亟待解决的上述问题。
发明内容
基于此，为了现在技术中难以制备具有复杂形状的多孔微通道结构的反应载体、制备反应载体的热传递效率低以及多孔微通道结构的孔型孔径以及孔隙率难以控制的问题，本发明提供了一种多孔微通道的载体及其制备方法，其具体技术方案如下：
一种多孔微通道的载体，所述载体包括载体板以及设置在所述载体板一侧并与所述载体板一体成型的多个单元体，所述单元体包括第一凸台以及第二凸台，所述第一凸台与所述第二凸台均垂直于所述载体板并等间距分布；所述第一凸台与所述第二凸台交错设置且相互平行；所述第一凸台上设置有第一微孔，所述第二凸台上设置有第二微孔，且所述第一微孔以及所述第二微孔错开设置。
上述方案中的载体具有多个单元体，且单元体上设置有第一微孔以及第二微孔，使得载体整体上具有较多的微孔通道，有效增加比表面积，使其具有显著的导热性能，有助于载体的层叠扩展。另外，制备的载体能增加催化剂的附着量和附着面积，提高反应的转化率。
优选地，所述第一微孔包括第一通孔以及第二通孔，且所述第一通孔与所述第二通孔连通。
优选地，所述第二微孔包括第三通孔以及第四通孔，且所述第三通孔与所述第四通孔连通。
另外，本发明还提供一种多孔微通道的载体的制备方法，包括以下步骤：
设定孔隙率目标值，并根据公式：求出孔隙体积；
根据公式：单元体体积＝总体积-孔隙体积，求出所述单元体的体积；
调节单元体体积的大小和位置，使得其孔隙率满足目标值；
检查所述单元体是否满足激光打印设备的精度，完成所述多孔微通道载体的模型设计；
将金属粉末放置在激光打印设备中打印得到多孔微通道的载体。
本发明载体的制备方法步骤简单，可行性高，且通过激光打印设备能制备具有复杂形状的多孔微通道结构的载体，多孔微通道结构的空型以及孔径以及空隙率可控。
优选地，所述激光打印设备包括控制器、成型室、设置在所述成型室上部的激光器以及振镜、设置在所述成型室内的铺粉装置、设置在所述成型室底部并与所述成型室一体成型的第一容腔、第二容腔以及第三容腔，且所述控制器分别与所述激光器、所述振镜以及所述铺粉装置连接。
优选地，所述第一容腔内设置有第一板块，所述第二容腔内设置有第二板块。
优选地，所述激光打印设备还包括第一伺服缸以及第二伺服缸，所述第一伺服缸的一端与所述第一板块连接，所述第一伺服缸的另一端与所述控制器连接；所述第二伺服缸的一端与所述第二板块连接，所述第二伺服缸与所述控制器连接。
优选地，所述金属粉末填满所述第一容腔。
优选地，所述打印的方法为：
a.所述第一伺服缸驱动所述第一板块上升，使得第一容腔内的所述金属粉末被所述第一板块推至所述成型室内；
b.所述第二伺服缸驱动所述第二板块下降；
c.所述铺粉装置由所述第一容腔向所述第二容腔的方向移动，将所述金属粉末填充至所述第二容腔内，多余的所述金属粉末推至所述第三容腔回收；
d.控制所述激光器发射激光，并通过所述振镜向在所述第二容腔内的所述金属粉末熔化成型；
e.控制所述激光器停止发射激光；
f.循环上述步骤，直至打印完成制备得到所述多孔微通道的载体。
上述打印方法具有显著的打印精确度，能有效控制载体中的多孔微通道结构的孔型、孔径以及空隙率。
优选地，所述第一板块上升的高度大于或等于与所述第二板块下降的高度。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是本发明一实施例中一种多孔微通道的载体的结构示意图一；
图2是本发明一实施例中一种多孔微通道的载体的结构示意图二；
图3是本发明一实施例中一种多孔微通道的载体的部分结构示意图一；
图4是本发明一实施例中一种多孔微通道的载体的部分结构示意图二；
图5是本发明一实施例中一种多孔微通道的载体的部分结构示意图三；
图6是本发明一实施例中一种多孔微通道的载体的部分结构示意图四；
图7是本发明一实施例中的激光打印设备的结构示意图。
附图标记说明：
11、载体板；21、第一凸台；211、第一通孔；212、第二通孔；22、第二凸台；221、第三通孔；222、第四通孔；31、控制器；41、成型室；411、第一容腔；412、第二容腔；413、第三容腔；414、第一板块；415、第二板块；51、激光器；61、振镜；71、铺粉装置；81、第一伺服缸；91、第二伺服缸。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
如图1-7所示，本发明一实施例中的一种孔隙率可控的多孔微通道载体，
所述载体包括载体板11以及设置在所述载体板11一侧并与所述载体板11一体成型的多个单元体，所述单元体包括第一凸台21以及第二凸台22，所述第一凸台21与所述第二凸台22均垂直于所述载体板11并等间距分布；所述第一凸台21与所述第二凸台22交错设置且相互平行；所述第一凸台21上设置有第一微孔，所述第二凸台22上设置有第二微孔，且所述第一微孔以及所述第二微孔错开设置。
上述方案中的载体具有多个单元体，且单元体上设置有第一微孔以及第二微孔，制备的载体整体上具有较多的微孔通道，有效增加比表面积，使其具有显著的导热性能，有助于载体的层叠扩展。另外，制备的载体能增加催化剂的附着量和附着面积，提高反应的转化率。
在其中一个实施例中，所述第一微孔包括第一通孔211以及第二通孔212，且所述第一通孔211与所述第二通孔212连通。
在其中一个实施例中，所述第一通孔211的直径大于或等于所述第二通孔212的直径。
在其中一个实施例中，所述第一通孔211呈喇叭状。
在其中一个实施例中，所述第二通孔212呈圆柱状。
在其中一个实施例中，所述第二微孔包括第三通孔221以及第四通孔222，且所述第三通孔221与所述第四通孔222连通。
在其中一个实施例中，所述第三通孔221的直径大于或等于所述第四通孔222的直径。
在其中一个实施例中，所述第三通孔221呈喇叭状。
在其中一个实施例中，所述第四通孔222呈圆柱状。
上述的单元体的具体尺寸、第一微孔、第二微孔、第一凸台和第二凸台的具体位置和大小可以依据不同的载体孔隙率进行改变，从而实现孔隙率可控的效果。
在其中一个实施例中，所述单元体的最大尺寸为2mm*2mm*2mm。
在其中一个实施例中，所述第一凸台21以及所述第二凸台22的高度均为1.6mm。
在其中一个实施例中，所述第一凸台21以及所述第二凸台22的厚度均为0.4mm。
在其中一个实施例中，所述第一凸台21与所述第二凸台22之间的距离为0.4mm。
在其中一个实施例中，与所述第一凸台21平行的所述单元体的边缘和所述第一凸台21之间的距离为0.4mm或以上。
在其中一个实施例中，与所述第二凸台22平行的所述单元体的边缘和所述第二凸台22之间的距离为0.4mm或以上。
在其中一个实施例中，所述第一通孔211的最大直径为0.6mm。
在其中一个实施例中，所述第二通孔212的直径为0.2mm。
在其中一个实施例中，所述第三通孔221的最大直径为0.6mm。
在其中一个实施例中，所述第四通孔222的直径为0.2mm。
另外，本发明还提供一种多孔微通道的载体的制备方法，包括以下步骤：
设定孔隙率目标值，并根据公式：孔隙率＝孔隙体积/总体积，求出孔隙体积；
根据公式：单元体总体积＝总体积-孔隙体积，求出所述单元体的总体积；
调节每个单元体的大小和位置以及每个单元体上第一凸台和第二凸台的大小和位置，使得其孔隙率满足目标值；
检查所述单元体是否满足激光打印设备的精度，完成所述多孔微通道载体的模型设计；
通过切片软件对所述多孔微通道载体的STL文件进行切片，对切片的数据导入路径规划软件进行路径规划，完成后导出该一种孔隙率可控的多孔微通道载体的路径规划文件；
将载体的路径规划文件导入到激光选区熔化SLM设备中，设置打印参数；
将金属粉末放置在激光打印设备中打印得到多孔微通道的载体。
本发明载体的制备方法步骤简单，可行性高，且通过激光打印设备能制备具有复杂形状的多孔微通道结构的载体，多孔微通道结构的空型以及孔径以及空隙率可控。
在其中一个实施例中，所述激光打印设备包括控制器31、成型室41、激光器51、振镜61、铺粉装置71、第一容腔411、第二容腔412以及第三容腔413，所述激光器51以及所述振镜61设置在所述成型室41的上方；所述铺粉装置71设置在所述成型室41内、所述第一容腔411、第二容腔412以及第三容腔413设置在所述成型室41底部并与所述成型室41连通，且所述控制器31分别与所述激光器51、所述振镜61以及所述铺粉装置71连接。
在其中一个实施例中，所述第一容腔411内设置有第一板块414，所述第二容腔412内设置有第二板块415。
在其中一个实施例中，所述激光打印设备还包括第一伺服缸81以及第二伺服缸91，所述第一伺服缸81的一端与所述第一板块414连接，所述第一伺服缸81的另一端与所述控制器31连接；所述第二伺服缸91的一端与所述第二板块415连接，所述第二伺服缸91与所述控制器31连接。
在其中一个实施例中，所述第一容腔411填充有所述金属粉末。
在其中一个实施例中，所述打印的方法为：
a.所述第一伺服缸81驱动所述第一板块414上升，使得第一容腔411内的所述金属粉末被所述第一板块414推至所述成型室41内；
b.所述第二伺服缸91驱动所述第二板块415下降；
c.所述铺粉装置71由所述第一容腔411向所述第二容腔412的方向移动，将所述金属粉末填充至所述第二容腔412内，多余的所述金属粉末推至所述第三容腔413回收；
d.控制所述激光器51发射激光，并通过所述振镜61照射向在所述第二容腔412内的所述金属粉末，将所述金属粉末熔化成型；
e.控制所述激光器51停止发射激光；
f.循环上述步骤，直至打印完成制备得到所述多孔微通道的载体。
上述打印方法具有显著的打印精确度，能有效控制载体中的多孔微通道结构的孔型、孔径以及空隙率。
在其中一个实施例中，所述第一板块414上升的高度大于或等于与所述第二板块415下降的高度。
在其中一个实施例中，所述多孔微通道的载体应用于甲醇水蒸气重整制氢的反应器中。将所述多孔微通道的载体应用在甲醇水蒸气重整制氢的反应器中，充当负载催化剂，具有较大的比表面积，有效增加催化剂的附着量以及附着面积，进而提高氢气的转化率，提高甲醇重整制氢反应的效率。
实施例一：
一种多孔微通道的载体的制备方法，包括以下步骤：
设定孔隙率目标值，并根据公式：孔隙率＝孔隙体积/总体积，求出孔隙体积；
根据公式：单元体体积＝总体积-孔隙体积，求出所述单元体的体积；
调节单元体体积的大小和位置，使得其孔隙率满足目标值；
检查所述单元体是否满足激光打印设备的精度，完成所述多孔微通道载体的模型设计；
将金属粉末放置在激光打印设备中打印得到多孔微通道的载体。
实施例中一中制备的多孔微通道的载体包括载体板11以及设置在所述载体板11一侧并与所述载体板11一体成型的多个单元体，多个所述单元体包括第一凸台21以及第二凸台22，所述第一凸台21与所述第二凸台22均垂直于所述载体板11并等间距分布；所述第一凸台21与所述第二凸台22交错设置且相互平行；所述第一凸台21上设置有第一微孔，所述第二凸台22上设置有第二微孔，且所述第一微孔以及所述第二微孔错开设置，且所述第一微孔包括第一通孔211以及第二通孔212，所述第一通孔211与所述第二通孔212连通，且所述第一通孔211的直径大于或等于所述第二通孔212的直径；所述第二微孔包括第三通孔221以及第四通孔222，且所述第三通孔221与所述第四通孔222连通，且所述第三通孔221的直径大于或等于所述第四通孔222的直径。
实施例一中制备的多孔微通道载体的单元体的尺寸为2mm*2mm*2mm；所述第一凸台21以及所述第二凸台22的高度均为1.6mm；所述第一凸台21以及所述第二凸台22的厚度均为0.4mm；所述第一凸台21与所述第二凸台22之间的距离为0.4mm；所述第一通孔211的最大直径为0.6mm；所述第二通孔212的直径为0.2mm；所述第三通孔221的最大直径为0.6mm；所述第四通孔222的直径为0.2mm。
制备得到的多孔微通道的载体的孔隙率为62.3％。
通过ASTM E1461-13用闪光法测定热扩散率的试验方法检测实施例中制备的多孔微通道的载体的导热性能，结果显示实施例一中制备的多孔微通道的载体具有显著的导热性能。
将实施例一中制备的多孔微通道的载体应用于甲醇水蒸气重整制氢的反应器中，得到氢气的转化率大于90％。
在其中一个实施例中，所述反应器为一种超声辅助甲醇水蒸气重整制氢反应器，且重整制氢反应器中的高温高压饱和水蒸气的压强为6MPa-10MPa，所述高温高压饱和水蒸气的温度为275-310℃。
综上，本发明制备的多孔微通道的载体具有空隙率可控、导热性能优异，能有效提高氢气转化率的优点。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。