专利名称：将液氨分解为氮气和氢气的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及能源领域，特别涉及专用于碱性燃料电池的将液氨热分解为 氢气的生产。这类燃料电池的一个典型的应用是为机动车驱动提供能源。
背景技术：
与机动车使用汽油和柴油相比，氢的低能量密度(能量/体积)问题是普 遍使用这种燃料系统的主要障碍之一。另一个制约其普遍使用的因素是安装 这类设备所固有的安全问题，它有可能引起火灾和爆炸，特别是在出现交通 事故的情况下。
对这些关键问题的克服大大提高了以下优良性能，如零污染排放、高 效能、能量来源的多样化，例如即使不依赖石油也可以从多种初级能源中得 到的氢能。
所使用的稳态液氨以约为10巴(bar)的压力储存在一个合适的容器中， 其能量密度为罐储压縮氢气的10倍，比液氢(保存在-253i:的相对低温状 态下)高50%，是镁和镧镍五等间隙性金属氢化物合金的大约两倍。
因此，最好能够提供在汽车上就可以直接将液氨中的氢气分解出来的紧 凑小型的装置，以给碱性燃料电池供应氢气，众所周之，碱性燃料电池可以 为汽车提供成本低并且能效高的驱动能量。
这类设备除了体积大和成本高外，至今仍无满意解决方案的一个主要问 题是，供应给碱性燃料电池的由氨气分解产生的氢气不能含有碳化合物，因 而很难将这类设备用于汽车驱动。实际上，碳化合物会对燃料电池的离子交 换表面起到抑制作用(酸性电池的典型现象)。
发明内容
为了解决这些问题，本发明的发明人建立起一套能够以紧凑且一体化的 方式实现从氨气中分解产生氢气的装置，该装置具有两个级联的催化反应 器，后接一个微波谐振器，用以完成裂解过程以得到完全不含碳化合物的输 出氢束流。之后，氢气和氮气束流通过一个吸收净化装置，该装置用以在气
体被供应至碱性燃料电池前俘获束流中任何的NH3。如上所述，通过完全去 除碳化合物(转化过程中产生的二氧化碳)，使得使用制造成本低且效能高 的碱性燃料电池变得可行。
实验表明，使用这项技术能够使燃料电池带动的电机主轴的作功能效达 到约12000 KJ/KGNH3， S卩与如今汽车驱动使用的热能发动机相比能效量 级相同，而且其自主性和耗能也有类似的实验结果。
本发明的其它特征和优点将参考以下附图做更详细的描述，且附图中所 示的较佳实施例不能解释为对本发明的限制。
图1是用于氨分解的第一级的第一催化反应器的纵向截面图2是图1中的第一催化反应器沿A-A向的截面图3是用于氨分解的第二级的第二催化反应器的纵向截面图4是图3中的第二催化反应器沿A-A向的截面图5是构成完成剩余氨的分解的第三分解级的微波导管的截面图6是图5中的微波导管沿A-A向的截面图7是交叉固定在波导管上的微波发射器的按比例尺縮小的示意图； 图8和8a是用于收集输出的气体的末端净化装置和整流罩的纵向截面图。
具体实施方式
如附图所示，本装置包括执行液氨分解反应的装置，它在Ar、 Br和Cr 三个级联梯级中将液氨分解为氮和氢气。从第三级Cr输出的氢和氮气流被 输送进入一吸收净化级Dr，以在气体被供应至燃料电池前俘获气流中的任 何氨。
特别地，前两级Ar (图1和图2)和Br (图3和图4)包括有两个催化 反应器，以执行热催化分解，而第三级Cr(图3、图4和图5)包括一个终 止裂解过程的微波范围内的电磁谐振管。
关于图1所示的第一分解级Ar。它包括一个不锈钢外壳10，其限定出 一个大致呈圆柱形的内部空腔，该内部空腔中由外向内同轴地设有 一个沿 切向的绝缘陶瓷扩散器6; —个横截面为多边型而纵截面为波纹状，表面具 有一系列尖端向外的锥状突出的中心体4;以及一个从内部加热该中心体4 的铠装电阻5。
本发明的一独特之处在于，其中心体4的材料是一种特殊的m.a.(机械 合金化)烧结合金(50%W-35%Fe —6%Co —5%Ag —4%Mo)。
从专门的储存罐蒸发的氨通过开口朝向外壳10的导管E^，透过切向 的注入孔6a进入切向的扩散器6内，在中心体4 (图2)周围形成旋涡状流 动。所述中心体由一个绝缘陶瓷环3固定。在气流纵向通过设有多尖端的且 在对氨的分解中起加热催化器作用的波纹中心体4的接触区域之后，沿半径 方向通过多孔的陶瓷环7，并流进设在反应器底端8处的输出管道9。输出 的气体产物由H2、 N2和没有裂解的NH3组成，并通过连接管道进入图3中 的第二分解级Br。
大致呈圆柱形的第二级反应器，包括 一个外壳13; —个中心导管ll， 外接来自第一级反应器Ar的输出端的连接管道；多个重叠的催化隔环16， 同轴地设置在该中心导管ll周围，并位于一多孔的隔板19之上。中心导管 19与一个圆柱型缸体17同轴设置，该圆柱型缸体由第一级反应器Ar的中 心体4所使用的同种m.a.烧结合金制成，并由一个铠装电阻18从内部进行
7加热。
每个催化器16由30%的氧化钴和70%的氧化铬的复合物覆盖在不锈钢 网上构成。
第二级反应器外壳13由带状电阻20加热，使催化器隔环16的温度稳 定在50(TC到750'C之间。
第一级输出的气体Us通过连接管道进入中心导管11，入口温度Ti在 45(TC 75(TC范围内。之后气体束流fg流动至由铠装电阻18从内部加热的 圆柱形缸体17处。在通过中心导管时，来自第一级Ar的未裂解的氨在从供 气体束流与催化器16相接触的多个孔散逸之前，被进一步分解。多孔隔板 19供输出气体Us通过，并通过一绝缘导管将第二级的输出管与图5-7所示 的第三级Cr的进气口 Ey连接，在第三级中对残留的氨的分解终止。
第三级装置主要由一微波导管22构成，该微波导管沿来自Ey的气体束 流的纵轴X-X方向设置，集流器21中有一个微孔隔板d，以阻止电磁波外 泄。
如图6所示，在具有宽度为la的正方形截面的导管22中，按间距p(间 距取决于波长入)排列设置有由m.a.合金制成的金属丝fln。这些金属丝fi-n 可电加热至温度55(TC 75(TC，且通过陶瓷支柱K与金属结构绝缘(图5)。
金属丝fi.n带有高静电势在这种条件下(强极性)，NH3分子被吸至金属丝 并被电离。在导管22横断方向上设有一管道24，用来传导磁控管M发射的 频率为v的电磁波。在这种方式下，沿纵轴x-x方向形成稳定运动的条件
因而电磁波的电学分量与金属丝fi.n周围的电离分子最大效率地(谐振)相
互作用，使得分子的化学键断裂。裂解后，气体(N2+H2)可以自由地通过 输出管道26流出，而微波则被一具有交叉网眼的金属网r阻止外泄出导管 (图5)。
从谐振器Cr流出的气体束流Us通过一个管道流至图8所示的净化装置 Dr。该净化装置主要由一个密封储罐28构成，其设有一个束流Us的注入管ES，该注入管内设有一个以压力"p"(燃料电池的工作压力)运转的止回 阀30，该密封储罐内还设有一个中央管道32，该中央管道32具有一浸入溶 液Sa中的下部开口 34，该溶液Sa能够俘获来自前三个分解装置的气体束流 中残留的哪怕PPM单位含量的氨。气体在进入注入管ES后，通过溶液Sa 释放出任何残留的氨。完全裂解的气体(H2+N2)流过中央管道32，在中央 管道32的顶端设有一个除湿隔网33 ，使导出的气体H2和N2的束流Uf完全 干燥，再用于燃料电池。
在60%至70%产率的电能下，发动机可以不同转速工作并达到超过90% 的效率，由此驱动系统的总效率可以超过55% (约为热能发动机转换效率的 两倍)。
权利要求
1、一种将液氨分解为其组成成分氮气和氢气的装置，其特征在于，所述装置包括三个级联反应器(Ar，Br和Cr)，前两个反应器(Ar，Br)执行氨的热催化分解，第三个反应器(Cr)是一个微波谐振器，即一个微波电磁谐振反应器。
2、 根据上述权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一个 吸收净化装置(Dr)，用以从微波谐振器散逸的气体束流在供至使用者之前， 俘获其中残留的任何NH3。
3、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一反应器(Ar) 包括一个外壳(10)，其限定出一个大致呈圆柱形的内部空腔，该内部空腔 中由外向内地设有 一沿切向的绝缘扩散器(6)， 一中空圆柱状中心体(4) 和一个从内部加热该中心体(4)的铠装电阻(5)。
4、 根据上述权利要求所述的装置，其特征在于，所述绝缘扩散器(6) 是一个陶瓷材料的涡旋扩散器，其上有多个供裂解气体束流进入的切向注入 孔(6a)。
5、 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述中空的中心体(4) 的横截面为多边形且纵截面为波纹状，表面设有一系列尖端向外的锥状突 出，以与进行裂解反应的氨束流接触。
6、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的第二反应器(Br) 包括 一个外壳(13); —个外接来自第一反应器Ar的输出端的连接管道的 中心导管(11);以及多个重叠的催化隔环(16)，同轴地设置在所述中心导 管(11)的周围。
7、 根据上述权利要求所述的装置，其特征在于，所述的催化隔环(16) 沿径向接触到从中心导管(11)轴向输出的气体束流，且该催化隔环由设置 于该中心导管(11)内和设置于该反应器外壳上的加热装置进行内外加热。
8、 根据上述权利要求所述的装置，其特征在于，所述的加热装置包括:一个设于该中心导管(11)内部的中空圆柱形缸体(17)，该圆柱形缸体由 一个锆装电阻(18)从内部加热；以及位于外壳(13)上的带状电阻。
9、 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的每个催化隔环(16) 由15°/。至55%、更佳为30%的氧化钴CoO，以及45%至85%、更佳为70% 的氧化铬Cr203的复合物覆盖于一不锈钢网上构成。
10、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的微波谐振器设有 一个导管(22)，在导管横断方向上设有一个发射器(24)，进行裂解反应的 气体束流纵向通过该微波谐振器。
11、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述的导管(22)内 设有金属丝(fi.n)，该金属丝为电加热并且通过陶瓷支柱(K)与金属结构绝 缘。
12、 根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的金属丝(fi.n) 带有高静电势，用以将尚未裂解的NH3分子吸引到该金属丝的周围并且使之 电离。
13、 根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述的金属丝(fi-n) 沿着与所述导管(22)的纵轴平行的方向排列，数量在4至400根之间，最 佳为25至64根之间，该金属丝的间距(p)取决于微波的波长(入)。
14、 根据权利要求3、 8和11所述的装置，其特征在于，所述的谐振器 的金属丝和加热体(4、 17)由热催化烧结合金制成，由30%至65%、更佳 为50%的鸨，15%至40%、更佳为35%的铁，3%至12%、更佳为6%的钴， 4%至10%、更佳为5%的银，以及2%至8%、更佳为4%的钼构成。
15、 根据权利要求14所述的装置，其特征在于，在所述的三个分解级 中使用的烧结合金的工作温度为25(TC至95(TC之间，较佳为35(TC至850°C 之间，更佳为550'C至65(TC之间，最佳为60(TC。
16、 根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述的谐振器内的金 属丝通过陶瓷支柱(K)与谐振器的末端板绝缘。
17、 根据权利要求12所述的装置，其特征在于，施加于所述谐振器内 金属丝(fU)上的电压在300kV至0.3kV之间，更佳为15kV。
18、 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，位于热分解反应器之后 的所述净化装置(Pr)包括 一个密封储罐(28)，该密封储罐设有一个供 反应器(Cr)输出的气体束流进入的注入管(ES )，该注入管内设有一个以 燃料电池的工作压力(p)运转的止回阀(30);该净化装置内还设有一个中 央管道(32)，该中央管道具有一浸入溶液Sa中的下部开口 (34)，该溶液(Sa)能够俘获来自前三个裂解装置的气体束流中残留的即便最少量的氨。
19、 根据上述权利要求所述的装置，其特征在于，所述的气体束流沿与 储罐外壳垂直的方向注入，通过一除湿隔网(33)除湿的气体沿中央管道(32)的轴向被输出。
20、 根据上述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置的工作 压力在20巴至1巴之间，较佳为12巴至4巴之间，最佳为8巴。
全文摘要
本发明公开了一种将液氨(压力为10bar)热催化分解为气态氢和氮的紧凑小型的装置。该装置使用三个级联的反应器，前两个反应器用于进行热催化分解，第三个反应器是一个微波谐振器。再通过一个净化装置之后便获得了适合供给碱性燃料电池的氢气。汽车配备这套装置，可以能效12000kJ/kg NH<sub>3</sub>为汽车驱动提供电能。
文档编号C01B3/00GK101466632SQ200780013757
公开日2009年6月24日 申请日期2007年4月18日 优先权日2006年4月18日
发明者圣蒂诺·莱蒂齐亚, 皮耶罗·瓦伦蒂尼, 罗萨里奥·罗科·图利诺, 莱奥纳尔多·瓦伦蒂尼 申请人:罗萨里奥·罗科·图利诺;圣蒂诺·莱蒂齐亚;皮耶罗·瓦伦蒂尼;莱奥纳尔多·瓦伦蒂尼