專利名稱：生熱系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可重復使用的生熱系統(tǒng)和方法。
背景技術：
現(xiàn)有技術中已知的化學生熱系統(tǒng)利用水和例如MgO、CaO、SrO、BaO等堿土金屬氧化物之間的反應產生的反應熱。這種系統(tǒng)已經(jīng)應用于包括日本米酒、盒飯等的食品的一次性加熱。
水和堿土金屬氧化物之間的反應產生氫氧化物，而氫氧化物可通過加熱分解從而釋放水并且將其重新生成為最初的氧化物。氫氧化物Mg(OH)2、Ca(OH)2、Sr(OH)2和Ba(OH)2的分解溫度分別約為260℃、480℃、580℃和730℃。
已經(jīng)提出了通過水和堿土金屬氧化物之間的反應所產生的熱量用于汽車內的加溫器。例如，日本未經(jīng)審查的專利公報No.7-180539提出了一種利用封閉系統(tǒng)內水和堿土金屬氧化物之間的反應的生熱系統(tǒng)，以重復地并在長時間內穩(wěn)定地進行放熱反應。該生熱系統(tǒng)允許快速加熱用于例如汽車發(fā)動機的內燃機的催化劑、冷卻水構件、進氣構件等。日本未經(jīng)審查的專利公報No.7-180539涉及現(xiàn)有技術中已知的一個技術問題，該技術問題是水和氧化物之間的反應所產生的氫氧化物與空氣中的二氧化碳氣體反應而產生碳酸鹽，該碳酸鹽具有高的分解溫度并且不容易除水，由此堿土金屬氧化物反應物的數(shù)量減少。
日本未經(jīng)審查的專利公報No.2002-209311公開了一種使用通過純鐵氧化效應產生熱量的生熱構件的系統(tǒng)，作為用于預熱和加熱安裝在汽車內的電氣裝置的生熱系統(tǒng)。另外，日本未經(jīng)審查的專利公報No.2002-339747公開了使用電加熱器加熱儲存在容器內的發(fā)動機冷卻劑。
除了這些生熱系統(tǒng)之外，還已知物理生熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)導致氣體等吸附在多孔材料上并且利用吸附熱。這種物理生熱系統(tǒng)具有許多問題，包括在再生過程中難以提高吸附性、需要為待吸附的氣體準備容器、由于隨時間流逝反應氣體減少而需要補充反應氣體、以及需要大量的吸附氣體。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種未在現(xiàn)有技術中提出的生熱系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的生熱系統(tǒng)包括生熱部件，該生熱部件包括在氧化時產生熱量的生熱材料，其中生熱系統(tǒng)還包括向生熱部件供應氧化氣體的氧化氣體源和向生熱部件供應還原氣體的還原氣體源，其中從氧化氣體源供應的氧化氣體導致生熱材料氧化并產生熱量，并且從還原氣體源供應的還原氣體還原性地再生已經(jīng)被氧化的生熱材料。
根據(jù)本發(fā)明的生熱系統(tǒng)，生熱材料能夠反復氧化以產生熱量并且反復還原而再生。
在本發(fā)明的生熱系統(tǒng)的一種實施方式中，其還包括熱源，該熱源向生熱部件供應熱量，其中熱源向生熱部件供應熱量而還原氣體源向生熱部件供應還原氣體。
根據(jù)此實施方式，能夠加速生熱材料的還原。這是因為其氧化反應是放熱反應的材料具有吸熱性的還原反應。
在本發(fā)明生熱系統(tǒng)的另一實施方式中，熱源是內燃機。
此實施方式允許從內燃機以高能量密度回收和儲存廢熱能。
在本發(fā)明的生熱系統(tǒng)的又一實施方式中，生熱材料呈金屬或金屬化合物的粉末或顆粒形式。
在本發(fā)明的生熱系統(tǒng)的再一實施方式中，生熱材料與其他惰性材料的顆粒或粉末相結合。
根據(jù)此實施方式，能夠防止生熱材料在氧化生熱和還原再生循環(huán)過程中聚集成團塊。
在此實施方式中，生熱材料可以是氯化鐵，非活性材料可以是氧化鋁，并且氯化鐵和氧化鋁可以與氯化鈉結合。
這使得生熱材料具有高分散度，而作為鐵的反離子的氯離子起到氧化劑的功能，從而加速了放熱反應。
在本發(fā)明生熱系統(tǒng)的再一實施方式中，生熱系統(tǒng)還包括與系統(tǒng)外部換熱的加熱介質，生熱部件包括允許相互換熱的第一和第二通道，生熱材料處于氧化氣體和還原氣體從中流過的第一通道中，而加熱介質流經(jīng)第二通道。
此實施方式可加速本發(fā)明的生熱系統(tǒng)和系統(tǒng)外部之間的熱交換。
在此實施方式中，第一通道可以是金屬蜂窩體的單元通道，第二通道可以是位于金屬蜂窩體的壁內的通道?？蛇x地，第一和第二通道均可以是金屬蜂窩體的單元通道，其中第一和第二通道以交替方式設置。氧化氣體和還原氣體可以沿相反方向或相同方向流動，其中加熱介質分別位于第一和第二通道內。氧化氣體和還原氣體優(yōu)選地與加熱介質以相反方向循環(huán)以促進熱交換。
在本發(fā)明的生熱系統(tǒng)中，生熱材料可以選自過渡金屬及其化合物，優(yōu)選地選自鐵、鈷、鎳和銅及其化合物，更優(yōu)選地選自鐵及其化合物。
本發(fā)明的生熱方法包括向氧化時產生熱量的生熱材料供應氧化氣體以產生氧化熱，以及向生熱材料供應還原氣體以還原性地再生已經(jīng)氧化的生熱材料。本發(fā)明的生熱方法能可選地包括在向生熱材料供應還原氣體的同時向生熱材料供熱。
根據(jù)本發(fā)明的生熱方法，能夠反復地進行生熱材料的氧化生熱和還原再生。此外，若在供應還原氣體的同時供應特別是廢熱的熱量，那么還可以回收和儲存熱量。


圖1是示出本發(fā)明生熱系統(tǒng)的生熱階段的框圖。
圖2是示出本發(fā)明生熱系統(tǒng)的再生階段的框圖。
圖3是示出本發(fā)明另一生熱系統(tǒng)的再生階段的框圖。
圖4示出了金屬蜂窩結構，該金屬蜂窩結構可用作根據(jù)本發(fā)明的生熱部件。
圖5是可用作根據(jù)本發(fā)明的生熱部件的金屬蜂窩結構的單元的放大橫截面視圖。
圖6是可用作根據(jù)本發(fā)明的生熱部件的另一金屬蜂窩結構的單元的放大橫截面視圖。
圖7是一個框圖，示出了在根據(jù)本發(fā)明的生熱系統(tǒng)的兩種實施方式的再生階段中的供熱過程。
具體實施例方式
現(xiàn)在將基于附圖示出的實施方式詳細說明本發(fā)明，應當理解附圖僅僅粗略示出了本發(fā)明的生熱系統(tǒng)，無論如何不是限制本發(fā)明。
首先參照圖1和2說明本發(fā)明的一個實施方式。圖1和2是分別示出本發(fā)明的生熱系統(tǒng)的生熱階段和再生階段的框圖。
在生熱階段中，如圖1所示，氧化氣體源向包括生熱材料的生熱部件供應氧化氣體，并且由氧化產生的熱量供應到外部耗熱部件。
在再生階段，如圖2所示，還原氣體源向包括生熱材料的生熱部件供應還原氣體，并且被氧化的生熱材料還原性地再生。
在再生階段，如圖3所示，熱量可從熱源供應到生熱部件以加速還原反應。盡管可使用獨立部件作為熱源，但是耗熱部件也可用作再生階段中的熱源。
本發(fā)明的生熱系統(tǒng)可用于需要重復加熱的任何目的。例如，該系統(tǒng)可用作例如汽車發(fā)動機的內燃機的啟動過程中燃燒單元、催化設備、冷卻劑和/或進氣的加溫器7；用于燃料電池系統(tǒng)的加溫器；室內加熱器；或者窗玻璃防起霧/防蒙霧系統(tǒng)。換言之，它們之中任一個都可以是圖1至3中的耗熱部件。
現(xiàn)在將更詳細地說明圖中示出的生熱系統(tǒng)的每個部件。
包括生熱材料的生熱部件可具有任何需要的構造，并且，例如該生熱部件可以是包含生熱材料并且特別是粉末或顆粒生熱材料的反應器。生熱部件可具有例如陶瓷蜂窩結構或金屬蜂窩結構的蜂窩結構，其中生熱材料承載在蜂窩單元通道表面上，以增加在生熱材料和氧化及還原氣體之間的接觸面積。更具體地，生熱部件可以是圖4所示的金屬蜂窩結構40。在此情況下，生熱材料可施加到金屬蜂窩結構的所有單元，并且交替地供應氧化和還原氣體，用于氧化和還原生熱材料。
生熱部件和耗熱單元可以導熱地連接，以將在生熱部件處產生的熱量供應到耗熱單元。這將允許例如通過熱傳導將熱量從生熱部件供應到耗熱單元、通過加熱的氧化氣體將熱量從生熱部件供應到耗熱單元、以及通過加熱介質將熱量從生熱部件供應到耗熱單元。當使用流體加熱介質時，生熱部件可具有換熱器通常使用的形狀。特別是，生熱部件可包括生熱材料置于其中并且氧化和還原氣體從中流過的通道、以及加熱介質在其中流動的通道。所使用的加熱介質還可以是實際的加熱目標，例如冷卻劑。
特別是，如圖5所示，可以使用具有由金屬蜂窩結構的單元壁56限定的單元通道52和單元壁之間的通道54的金屬蜂窩結構。在此情況下，生熱材料58位于單元通道52內，并且氧化氣體和還原氣體受到引導從中流過，分別用于生熱材料的氧化生熱和還原再生。加熱介質在壁之間的通道54內循環(huán)通過，用于排熱和可選地供熱。與圖5所示通道不同，生熱材料68能可選地處于由金屬蜂窩結構的單元壁66所限定的單元通道內，并且氧化氣體和還原氣體受引導而流經(jīng)其中置有生熱材料的通道62，而加熱介質循環(huán)通過另外的通道64，如圖6所示。
承載在生熱部件內的生熱材料可以是能夠被本發(fā)明的生熱系統(tǒng)所使用的氧化氣體氧化而產生熱量并且能夠被本發(fā)明的生熱系統(tǒng)所使用的還原氣體還原再生的任何所需材料。特別是，當在還原再生步驟從熱源為生熱材料供應熱量時，生熱材料可選擇為能夠通過在此熱量的溫度下由還原氣體還原再生的材料。例如，所選擇的生熱材料可以是在120℃的溫度下由包括50％體積的H2并且其余為氮的還原氣體實質上還原的生熱材料。
作為具體的生熱材料，可以選擇金屬，特別是過渡金屬，更特別地是鐵族金屬(鐵、鈷、鎳)或者銅及其化合物，其中最優(yōu)選鐵及其化合物。從成本和發(fā)熱能力的角度來說使用鐵或者其化合物作為生熱材料是優(yōu)選的。
生熱材料可具有任何所需形式，但是優(yōu)選為粉末或顆粒，以改善生熱材料和氧化及還原氣體之間的接觸。粉末或顆粒生熱材料可通過與例如氧化鋁的惰性材料的粉末混合而獲得，以防止由于重復氧化和還原所導致的燒結。當金屬用作生熱材料來氧化和還原時，例如氯化鈉的鹽也可結合在其中以加速氧化-還原反應。
簡單的研缽等可用來混合生熱材料和其他惰性材料。特別是，當生熱材料是金屬化合物時，通過在例如水的液體中溶解金屬化合物獲得的金屬化合物溶液優(yōu)選地注入多孔惰性材料內，并且所獲得的非活性材料然后干燥以保持生熱材料的高分散度。
氧化氣體源可以是供應氧化氣體的任何單元，例如，其可以是容納氧化氣體的容器、或者是從外部向生熱部件供應氧化氣體的泵和管。氧化氣體是氧化生熱部件的生熱材料以產生熱量的氣體，例如，該氣體可以是氧氣、空氣等。當氧化氣體是空氣時，它可以從系統(tǒng)外部吸取并且供應到生熱部件。
還原氣體源可以是供應還原氣體的任何單元，例如，其可以是容納還原氣體的容器或者產生還原氣體的裝置。還原氣體是能夠還原生熱部件的生熱材料的氣體，例如，該氣體可以是碳氫化合物、氫等。當本發(fā)明的生熱系統(tǒng)用作內燃機的加溫裝置時，包含用于內燃機的燃料的氣體可用作還原氣體。特別是，燃料可轉換成更輕的形式以獲得例如氫的高還原性氣體并且用作還原氣體。氫還可通過電解水獲得。
氫由于具有很高的還原性而優(yōu)選用作還原氣體。
作為可選的熱源，可以使用任何能夠供應熱量以加速生熱材料的還原的所需裝置。例如，其可以是提供100℃以上、特別是100至500℃、最優(yōu)選為100至300℃的熱量的裝置。當本發(fā)明的生熱系統(tǒng)用作內燃機的加溫裝置時，內燃機本身可用作熱源。在此情況下，從內燃機向生熱部件供應熱量——特別是供應廢熱——可以通過任何所需裝置完成，并且還可使用如上所述的加熱介質。此外，例如如圖7(a)所示，內燃機和生熱部件可以熱接觸，或者如圖7(b)所示，熱量可通過供應到生熱部件的還原氣體供應到生熱部件。
現(xiàn)在將通過示例說明本發(fā)明，應當理解本發(fā)明不限于這些示例。示例示例1在利用研缽將46克FeCl3·6H2O研磨成粉之后，20克氧化鋁粉末和0.5克NaCl添加到其中而得到一種混合物?；旌衔锞鶆蚍稚?，添加水，并且在進一步攪拌之后，混合物在120℃下干燥1小時以獲得粉末。粉末模制成直徑為1至2mm的小球，從而成為示例1中的小球。
英管放置在實驗室用管式爐中，3克示例1中的小球放置在石英管內。供應包含50％的氫而其余部分為氮的還原氣體(1L/min)，同時在石英管內部保持120℃的溫度，以還原生熱材料。然后，在室溫下供應濕度為10％的空氣(1L/min)用于生熱材料的氧化生熱，并且測量小球的床溫。重復進行還原處理和氧化生熱，并且再次測量小球的床溫。結果示于表1。室溫接近25℃。
示例2利用研缽充分混合46克鐵粉、20克氧化鋁粉和0.5克NaCl而得到混合粉末。粉末模制成直徑為1至2毫米的小球，從而成為示例2的小球。這些小球以與示例1相同的方式測試。結果示于表1。
對比例1
CaO粉末模制成直徑為1至2毫米的小球，從而成為對比例1的小球，這些小球以與示例1相同的方式測試。結果示于表1。
對比例2-4在對比例2-4中，重復進行與示例1和2以及對比例1相同的過程，但是，在生熱材料的再生處理中，使用120℃下的氮氣(1L/min)而不是包含50％的氫而其余部分為氮的還原氣體(1L/min)。結果示于表1。
表1

表1中示例1和2的結果顯示通過供應還原氣體和熱量(120℃)獲得了生熱材料的再生。在對比例1(CaO)中的第一生熱被認為是由于在空氣中的水分和氧化鈣之間的反應。
此外，在示例1和2的結果和對比例2和3的結果之間的對比證實生熱材料的再生是由于還原。從對比例1至4明顯得知，在現(xiàn)有技術中通常使用的利用氧化鈣和水之間的反應的系統(tǒng)在此再生溫度下和利用此再生氣體不曾充分地再生。這是因為從氫氧化鈣再生成氧化鈣一般需要大約500℃的高溫。
權利要求
1.一種生熱系統(tǒng)，包括生熱部件，所述生熱部件包括在氧化時產生熱量的生熱材料，其中所述生熱系統(tǒng)還包括向所述生熱部件供應氧化氣體的氧化氣體源和向所述生熱部件供應還原氣體的還原氣體源，并且其中從所述氧化氣體源供應的氧化氣體導致所述生熱材料氧化并產生熱量，而從所述還原氣體源供應的還原氣體還原性地再生已經(jīng)被氧化的所述生熱材料。
2.如權利要求1所述的生熱系統(tǒng)，還包括熱源，所述熱源向所述生熱部件供應熱量，其中在所述還原氣體源向所述生熱部件供應還原氣體的同時，所述熱源向所述生熱部件供應熱量。
3.如權利要求1或2所述的生熱系統(tǒng)，其中所述熱源是內燃機。
4.如權利要求1至3中任一項所述的生熱系統(tǒng)，其中所述生熱材料呈金屬或金屬化合物的粉末或顆粒的形式。
5.如權利要求1至4中任一項所述的生熱系統(tǒng)，其中所述生熱材料與其他惰性材料的粉末或顆粒相結合。
6.如權利要求5所述的生熱系統(tǒng)，其中所述生熱材料是氯化鐵，所述非活性材料是氧化鋁，并且氯化鐵和氧化鋁與氯化鈉相結合。
7.如權利要求1至6中任一項所述的生熱系統(tǒng)，其中所述生熱系統(tǒng)還包括用于與所述系統(tǒng)的外部換熱的加熱介質，所述生熱部件包括允許相互換熱的第一和第二通道，所述生熱材料處于所述氧化氣體和所述還原氣體從中流過的所述第一通道中，并且所述加熱介質流經(jīng)所述第二通道。
8.如權利要求1至3中任一項所述的生熱系統(tǒng)，其中所述生熱材料選自過渡金屬及其化合物。
9.如權利要求8所述的生熱系統(tǒng)，其中所述生熱材料選自鐵、鈷、鎳和銅及其化合物。
10.如權利要求9所述的生熱系統(tǒng)，其中所述生熱材料選自鐵及其化合物。
11.一種生熱方法，包括向氧化時產生熱量的生熱材料供應氧化氣體以產生氧化熱，以及向所述生熱材料供應還原氣體以還原性地再生所述已經(jīng)氧化的生熱材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了允許重復生熱的新穎的生熱系統(tǒng)和方法。該生熱系統(tǒng)包括生熱部件，該生熱部件包括在氧化時產生熱量的生熱材料，其中生熱系統(tǒng)還包括向生熱部件供應氧化氣體的氧化氣體源和向生熱部件供應還原氣體的還原氣體源，并且其中從氧化氣體源供應的氧化氣體導致生熱材料氧化并產生熱量，而從還原氣體源供應的還原氣體還原性地再生已經(jīng)被氧化的生熱材料。該生熱方法包括向氧化時產生熱量的生熱材料供應氧化氣體。本發(fā)明提供了允許重復生熱的新穎的生熱系統(tǒng)和方法。該生熱系統(tǒng)包括生熱部件，該生熱部件包括在氧化時產生熱量的生熱材料，其中生熱系統(tǒng)還包括向生熱部件供應氧化氣體的氧化氣體源和向生熱部件供應還原氣體的還原氣體源，并且從氧化氣體源供應的氧化氣體導致生熱材料氧化并產生熱量，而從還原氣體源供應的還原氣體還原性地再生已經(jīng)被氧化的生熱材料。
文檔編號F02N19/02GK101065461SQ20058002780
公開日2007年10月31日 申請日期2005年8月22日 優(yōu)先權日2004年8月23日
發(fā)明者辻公壽, 久野央志, 大和正憲, 平田裕人 申請人:豐田自動車株式會社