專利名稱：將液氨分解為氮氣和氫氣的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能源領(lǐng)域，特別涉及專用于堿性燃料電池的將液氨熱分解為 氫氣的生產(chǎn)。這類燃料電池的一個典型的應(yīng)用是為機動車驅(qū)動提供能源。
背景技術(shù)：
與機動車使用汽油和柴油相比，氫的低能量密度(能量/體積)問題是普 遍使用這種燃料系統(tǒng)的主要障礙之一。另一個制約其普遍使用的因素是安裝 這類設(shè)備所固有的安全問題，它有可能引起火災(zāi)和爆炸，特別是在出現(xiàn)交通 事故的情況下。
對這些關(guān)鍵問題的克服大大提高了以下優(yōu)良性能，如零污染排放、高 效能、能量來源的多樣化，例如即使不依賴石油也可以從多種初級能源中得 到的氫能。
所使用的穩(wěn)態(tài)液氨以約為10巴(bar)的壓力儲存在一個合適的容器中， 其能量密度為罐儲壓縮氫氣的10倍，比液氫(保存在-253i:的相對低溫狀 態(tài)下)高50%，是鎂和鑭鎳五等間隙性金屬氫化物合金的大約兩倍。
因此，最好能夠提供在汽車上就可以直接將液氨中的氫氣分解出來的緊 湊小型的裝置，以給堿性燃料電池供應(yīng)氫氣，眾所周之，堿性燃料電池可以 為汽車提供成本低并且能效高的驅(qū)動能量。
這類設(shè)備除了體積大和成本高外，至今仍無滿意解決方案的一個主要問 題是，供應(yīng)給堿性燃料電池的由氨氣分解產(chǎn)生的氫氣不能含有碳化合物，因 而很難將這類設(shè)備用于汽車驅(qū)動。實際上，碳化合物會對燃料電池的離子交 換表面起到抑制作用(酸性電池的典型現(xiàn)象)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決這些問題，本發(fā)明的發(fā)明人建立起一套能夠以緊湊且一體化的 方式實現(xiàn)從氨氣中分解產(chǎn)生氫氣的裝置，該裝置具有兩個級聯(lián)的催化反應(yīng) 器，后接一個微波諧振器，用以完成裂解過程以得到完全不含碳化合物的輸 出氫束流。之后，氫氣和氮氣束流通過一個吸收凈化裝置，該裝置用以在氣
體被供應(yīng)至堿性燃料電池前俘獲束流中任何的NH3。如上所述，通過完全去 除碳化合物(轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的二氧化碳)，使得使用制造成本低且效能高 的堿性燃料電池變得可行。
實驗表明，使用這項技術(shù)能夠使燃料電池帶動的電機主軸的作功能效達 到約12000 KJ/KGNH3， S卩與如今汽車驅(qū)動使用的熱能發(fā)動機相比能效量 級相同，而且其自主性和耗能也有類似的實驗結(jié)果。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將參考以下附圖做更詳細的描述，且附圖中所 示的較佳實施例不能解釋為對本發(fā)明的限制。
圖1是用于氨分解的第一級的第一催化反應(yīng)器的縱向截面圖2是圖1中的第一催化反應(yīng)器沿A-A向的截面圖3是用于氨分解的第二級的第二催化反應(yīng)器的縱向截面圖4是圖3中的第二催化反應(yīng)器沿A-A向的截面圖5是構(gòu)成完成剩余氨的分解的第三分解級的微波導(dǎo)管的截面圖6是圖5中的微波導(dǎo)管沿A-A向的截面圖7是交叉固定在波導(dǎo)管上的微波發(fā)射器的按比例尺縮小的示意圖； 圖8和8a是用于收集輸出的氣體的末端凈化裝置和整流罩的縱向截面圖。
具體實施方式
如附圖所示，本裝置包括執(zhí)行液氨分解反應(yīng)的裝置，它在Ar、 Br和Cr 三個級聯(lián)梯級中將液氨分解為氮和氫氣。從第三級Cr輸出的氫和氮氣流被 輸送進入一吸收凈化級Dr，以在氣體被供應(yīng)至燃料電池前俘獲氣流中的任 何氨。
特別地，前兩級Ar (圖1和圖2)和Br (圖3和圖4)包括有兩個催化 反應(yīng)器，以執(zhí)行熱催化分解，而第三級Cr(圖3、圖4和圖5)包括一個終 止裂解過程的微波范圍內(nèi)的電磁諧振管。
關(guān)于圖1所示的第一分解級Ar。它包括一個不銹鋼外殼10，其限定出 一個大致呈圓柱形的內(nèi)部空腔，該內(nèi)部空腔中由外向內(nèi)同軸地設(shè)有 一個沿 切向的絕緣陶瓷擴散器6; —個橫截面為多邊型而縱截面為波紋狀，表面具 有一系列尖端向外的錐狀突出的中心體4;以及一個從內(nèi)部加熱該中心體4 的鎧裝電阻5。
本發(fā)明的一獨特之處在于，其中心體4的材料是一種特殊的m.a.(機械 合金化)燒結(jié)合金(50%W-35%Fe —6%Co —5%Ag —4%Mo)。
從專門的儲存罐蒸發(fā)的氨通過開口朝向外殼10的導(dǎo)管E^，透過切向 的注入孔6a進入切向的擴散器6內(nèi)，在中心體4 (圖2)周圍形成旋渦狀流 動。所述中心體由一個絕緣陶瓷環(huán)3固定。在氣流縱向通過設(shè)有多尖端的且 在對氨的分解中起加熱催化器作用的波紋中心體4的接觸區(qū)域之后，沿半徑 方向通過多孔的陶瓷環(huán)7，并流進設(shè)在反應(yīng)器底端8處的輸出管道9。輸出 的氣體產(chǎn)物由H2、 N2和沒有裂解的NH3組成，并通過連接管道進入圖3中 的第二分解級Br。
大致呈圓柱形的第二級反應(yīng)器，包括 一個外殼13; —個中心導(dǎo)管ll， 外接來自第一級反應(yīng)器Ar的輸出端的連接管道；多個重疊的催化隔環(huán)16， 同軸地設(shè)置在該中心導(dǎo)管ll周圍，并位于一多孔的隔板19之上。中心導(dǎo)管 19與一個圓柱型缸體17同軸設(shè)置，該圓柱型缸體由第一級反應(yīng)器Ar的中 心體4所使用的同種m.a.燒結(jié)合金制成，并由一個鎧裝電阻18從內(nèi)部進行
7加熱。
每個催化器16由30%的氧化鈷和70%的氧化鉻的復(fù)合物覆蓋在不銹鋼 網(wǎng)上構(gòu)成。
第二級反應(yīng)器外殼13由帶狀電阻20加熱，使催化器隔環(huán)16的溫度穩(wěn) 定在50(TC到750'C之間。
第一級輸出的氣體Us通過連接管道進入中心導(dǎo)管11，入口溫度Ti在 45(TC 75(TC范圍內(nèi)。之后氣體束流fg流動至由鎧裝電阻18從內(nèi)部加熱的 圓柱形缸體17處。在通過中心導(dǎo)管時，來自第一級Ar的未裂解的氨在從供 氣體束流與催化器16相接觸的多個孔散逸之前，被進一步分解。多孔隔板 19供輸出氣體Us通過，并通過一絕緣導(dǎo)管將第二級的輸出管與圖5-7所示 的第三級Cr的進氣口 Ey連接，在第三級中對殘留的氨的分解終止。
第三級裝置主要由一微波導(dǎo)管22構(gòu)成，該微波導(dǎo)管沿來自Ey的氣體束 流的縱軸X-X方向設(shè)置，集流器21中有一個微孔隔板d，以阻止電磁波外 泄。
如圖6所示，在具有寬度為la的正方形截面的導(dǎo)管22中，按間距p(間 距取決于波長入)排列設(shè)置有由m.a.合金制成的金屬絲fln。這些金屬絲fi-n 可電加熱至溫度55(TC 75(TC，且通過陶瓷支柱K與金屬結(jié)構(gòu)絕緣(圖5)。
金屬絲fi.n帶有高靜電勢在這種條件下(強極性)，NH3分子被吸至金屬絲 并被電離。在導(dǎo)管22橫斷方向上設(shè)有一管道24，用來傳導(dǎo)磁控管M發(fā)射的 頻率為v的電磁波。在這種方式下，沿縱軸x-x方向形成穩(wěn)定運動的條件
因而電磁波的電學(xué)分量與金屬絲fi.n周圍的電離分子最大效率地(諧振)相
互作用，使得分子的化學(xué)鍵斷裂。裂解后，氣體(N2+H2)可以自由地通過 輸出管道26流出，而微波則被一具有交叉網(wǎng)眼的金屬網(wǎng)r阻止外泄出導(dǎo)管 (圖5)。
從諧振器Cr流出的氣體束流Us通過一個管道流至圖8所示的凈化裝置 Dr。該凈化裝置主要由一個密封儲罐28構(gòu)成，其設(shè)有一個束流Us的注入管ES，該注入管內(nèi)設(shè)有一個以壓力"p"(燃料電池的工作壓力)運轉(zhuǎn)的止回 閥30，該密封儲罐內(nèi)還設(shè)有一個中央管道32，該中央管道32具有一浸入溶 液Sa中的下部開口 34，該溶液Sa能夠俘獲來自前三個分解裝置的氣體束流 中殘留的哪怕PPM單位含量的氨。氣體在進入注入管ES后，通過溶液Sa 釋放出任何殘留的氨。完全裂解的氣體(H2+N2)流過中央管道32，在中央 管道32的頂端設(shè)有一個除濕隔網(wǎng)33 ，使導(dǎo)出的氣體H2和N2的束流Uf完全 干燥，再用于燃料電池。
在60%至70%產(chǎn)率的電能下，發(fā)動機可以不同轉(zhuǎn)速工作并達到超過90% 的效率，由此驅(qū)動系統(tǒng)的總效率可以超過55% (約為熱能發(fā)動機轉(zhuǎn)換效率的 兩倍)。
權(quán)利要求
1、一種將液氨分解為其組成成分氮氣和氫氣的裝置，其特征在于，所述裝置包括三個級聯(lián)反應(yīng)器(Ar，Br和Cr)，前兩個反應(yīng)器(Ar，Br)執(zhí)行氨的熱催化分解，第三個反應(yīng)器(Cr)是一個微波諧振器，即一個微波電磁諧振反應(yīng)器。
2、 根據(jù)上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括一個 吸收凈化裝置(Dr)，用以從微波諧振器散逸的氣體束流在供至使用者之前， 俘獲其中殘留的任何NH3。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一反應(yīng)器(Ar) 包括一個外殼(10)，其限定出一個大致呈圓柱形的內(nèi)部空腔，該內(nèi)部空腔 中由外向內(nèi)地設(shè)有 一沿切向的絕緣擴散器(6)， 一中空圓柱狀中心體(4) 和一個從內(nèi)部加熱該中心體(4)的鎧裝電阻(5)。
4、 根據(jù)上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述絕緣擴散器(6) 是一個陶瓷材料的渦旋擴散器，其上有多個供裂解氣體束流進入的切向注入 孔(6a)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述中空的中心體(4) 的橫截面為多邊形且縱截面為波紋狀，表面設(shè)有一系列尖端向外的錐狀突 出，以與進行裂解反應(yīng)的氨束流接觸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的第二反應(yīng)器(Br) 包括 一個外殼(13); —個外接來自第一反應(yīng)器Ar的輸出端的連接管道的 中心導(dǎo)管(11);以及多個重疊的催化隔環(huán)(16)，同軸地設(shè)置在所述中心導(dǎo) 管(11)的周圍。
7、 根據(jù)上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述的催化隔環(huán)(16) 沿徑向接觸到從中心導(dǎo)管(11)軸向輸出的氣體束流，且該催化隔環(huán)由設(shè)置 于該中心導(dǎo)管(11)內(nèi)和設(shè)置于該反應(yīng)器外殼上的加熱裝置進行內(nèi)外加熱。
8、 根據(jù)上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述的加熱裝置包括:一個設(shè)于該中心導(dǎo)管(11)內(nèi)部的中空圓柱形缸體(17)，該圓柱形缸體由 一個鋯裝電阻(18)從內(nèi)部加熱；以及位于外殼(13)上的帶狀電阻。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的每個催化隔環(huán)(16) 由15°/。至55%、更佳為30%的氧化鈷CoO，以及45%至85%、更佳為70% 的氧化鉻Cr203的復(fù)合物覆蓋于一不銹鋼網(wǎng)上構(gòu)成。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的微波諧振器設(shè)有 一個導(dǎo)管(22)，在導(dǎo)管橫斷方向上設(shè)有一個發(fā)射器(24)，進行裂解反應(yīng)的 氣體束流縱向通過該微波諧振器。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述的導(dǎo)管(22)內(nèi) 設(shè)有金屬絲(fi.n)，該金屬絲為電加熱并且通過陶瓷支柱(K)與金屬結(jié)構(gòu)絕 緣。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述的金屬絲(fi.n) 帶有高靜電勢，用以將尚未裂解的NH3分子吸引到該金屬絲的周圍并且使之 電離。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述的金屬絲(fi-n) 沿著與所述導(dǎo)管(22)的縱軸平行的方向排列，數(shù)量在4至400根之間，最 佳為25至64根之間，該金屬絲的間距(p)取決于微波的波長(入)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求3、 8和11所述的裝置，其特征在于，所述的諧振器 的金屬絲和加熱體(4、 17)由熱催化燒結(jié)合金制成，由30%至65%、更佳 為50%的鴇，15%至40%、更佳為35%的鐵，3%至12%、更佳為6%的鈷， 4%至10%、更佳為5%的銀，以及2%至8%、更佳為4%的鉬構(gòu)成。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，在所述的三個分解級 中使用的燒結(jié)合金的工作溫度為25(TC至95(TC之間，較佳為35(TC至850°C 之間，更佳為550'C至65(TC之間，最佳為60(TC。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述的諧振器內(nèi)的金 屬絲通過陶瓷支柱(K)與諧振器的末端板絕緣。
17、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，施加于所述諧振器內(nèi) 金屬絲(fU)上的電壓在300kV至0.3kV之間，更佳為15kV。
18、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，位于熱分解反應(yīng)器之后 的所述凈化裝置(Pr)包括 一個密封儲罐(28)，該密封儲罐設(shè)有一個供 反應(yīng)器(Cr)輸出的氣體束流進入的注入管(ES )，該注入管內(nèi)設(shè)有一個以 燃料電池的工作壓力(p)運轉(zhuǎn)的止回閥(30);該凈化裝置內(nèi)還設(shè)有一個中 央管道(32)，該中央管道具有一浸入溶液Sa中的下部開口 (34)，該溶液(Sa)能夠俘獲來自前三個裂解裝置的氣體束流中殘留的即便最少量的氨。
19、 根據(jù)上述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述的氣體束流沿與 儲罐外殼垂直的方向注入，通過一除濕隔網(wǎng)(33)除濕的氣體沿中央管道(32)的軸向被輸出。
20、 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置的工作 壓力在20巴至1巴之間，較佳為12巴至4巴之間，最佳為8巴。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將液氨(壓力為10bar)熱催化分解為氣態(tài)氫和氮的緊湊小型的裝置。該裝置使用三個級聯(lián)的反應(yīng)器，前兩個反應(yīng)器用于進行熱催化分解，第三個反應(yīng)器是一個微波諧振器。再通過一個凈化裝置之后便獲得了適合供給堿性燃料電池的氫氣。汽車配備這套裝置，可以能效12000kJ/kg NH₃為汽車驅(qū)動提供電能。
文檔編號C01B3/00GK101466632SQ200780013757
公開日2009年6月24日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者圣蒂諾·萊蒂齊亞, 皮耶羅·瓦倫蒂尼, 羅薩里奧·羅科·圖利諾, 萊奧納爾多·瓦倫蒂尼 申請人:羅薩里奧·羅科·圖利諾;圣蒂諾·萊蒂齊亞;皮耶羅·瓦倫蒂尼;萊奧納爾多·瓦倫蒂尼