]与等离子反应器3的外侧接触的接地电极7以相对氢分离膜12的方式与氢分离膜12同心放置。氢分离膜12以及接地电极7相对彼此设置，且石英制等离子反应器3介于两者之间。相应地等离子反应器作为电介质部件使用，且施加至氢分离膜12的高压激发电介质阻挡层放电。
[0024]气体供应通道9将气体供应单元15与放电空间4两者相互连通，从而从气体供应单元15供应含氨气体至放电空间4。气体供应单元15包括其内储存供应至等离子反应器3的气体的气体罐，设有阀门的气体混合单元，阀门例如为机动式阀门，以及在检测气压及供应气体组成的同时控制供应的气体的流速的控制单元。在本例中，来自气体供应单元15的气体为100%氨气。气体供应单元15也可提供100%氨气，以及含有氨以及例如为氮气的惰性气体的混合气体。
[0025]高压脉冲电源2放置在等离子反应器3的外侧，并向高压电极5施加高压。如图2说明了在本例中通过高压脉冲电源2施加到高压电极5的电压的电压波形。图2的电压波形具有非常短的波形保留时间L 10 μ s，其被表征为高的电子能密度以及低的电力消耗。
[0026]根据本例使用氢生成装置I的氢生产方法包括第一至第四步骤。第一步为通过气体供应通道9从气体供应单元5以一预定流速向放电空间4供应氨气的步骤。第二步为基于氨气的流速，调整高压脉冲电源2的电压及频率的步骤。根据本例，脉冲电源2的频率为1KHzο第三步是在接地电极7以及高压电极5的氢分离膜12之间生成电介质阻挡层放电从而在放电空间4中生成大气压非平衡氨等离子体的步骤。第四步为通过氢分离膜12将由大气压非平衡氨等离子体生成的氢气进行传送并引导分离的氢进入内腔室6的步骤。
[0027]通常需要在400°C _500°C温度间，通过根据本例的由钯合金膜形成的氢分离膜12，分离氢。另一方面，根据本例，在等离子反应器3中，氢分离在接近10000摄氏度的大气压非平衡等离子体的高电子温度下进行。根据本例，在不从等离子反应器的外侧施加4000C _500°C温度的情况下，氢能够通过氢分离膜12分离。
[0028]为了在第四步中从放电空间4向内腔室6输送氢气，内腔室6的内压通过图中未示出的泵被设为负压，泵安装在氢流通通道11中从而与内腔室6相连。
[0029]图3是说明当自气体供应单元15供应的氨气流速为0.6升每分钟(0.6L/min)，且施加电压为3.5KV至15.0KV之间时，氢产率变化的图表。基于以下所示反应式(反应式5)，通过数学公式I计算衍生自氨的氢的含量)以示出氢产率。
2NH3+e — N2+3H2+e (反应式 5)
氢产率％= (3X反应器输出口处氢的摩尔流速:mol/min.) + (2X反应器输入口处氨的摩尔流速:mol/min.) X 100数学公式I
[0030]在图3的图表中，带有白色三角标示的线所示为根据本例的氢生产装置I所获得的氢产率。施加的电压更高时，氢产率提高。当施加的电压为9.0kV或更高时，氢产率达到100%。
[0031]图4是说明当自气体供应单元15供应的氨气流速为0.8升每分钟(0.8L/min)，且施加电压为3.5KV至15.0KV之间时，氢产率变化的图表。在图4的图表中，带有白色三角标示的线所示为根据本例的氢生产装置I所获得的氢产率。在氨的流速为0.6升每分钟的情况下，当施加的电压更高时，氢产率提高。当施加的电压为9.0kV或更高时，氢产率达到100%。相较流速为0.8L/min时，当流速为0.6L/min时，低于9.0kV的施加电压所获得的氢产率更高。
[0032]在图表3、4中进一步给出了对比例，带有矩形标示的线条均显示在高压电极以及内腔室中不具有氢分离膜的情况下，当通过等离子反应器自氨气生成氢时，氢产率-施加电压的关系。在氨气流速为0.6升每分钟的对比例中，当施加电压为9.0kV时，氢产率为57.2%，且即使当施加电压增高至15.0kV时，氢产率为89.8%。在氨气流速为0.8升每分钟的对比例中，当施加电压为9.0kV时，氢产率为33.0%，且即使当施加电压增高至15.0kV时，氢产率为62.?%。
[0033]在对比例和例子I间的比较清楚地说明通过经由提供在高压电极5中的氢分离膜12选择性地弓I导氢进入内腔室6，可大大提高源自氨气的氢产率。这一卓越的效果是由于经由氢分离膜12分离的氢可迅速被引导至在氢分离膜12的内侧的内腔室，同时再生成氨的机会很难，且可有效地生成氢。在本例中，不考虑氨气流速，只要选择合适的施加电压，氨中所含有的氢最终以氢气的形式100%提取。根据例I，生成氢的能效为73.6mol-H2/kWh，其相较使用催化剂作为引起媒介的氢生产方法的结果要高得多。
[0034]如前所详述，根据本例的氢生产装置I可在室温及常压(大气压)下连续地由氨生成氢。氢生产装置I可在不使用昂贵催化剂的情况下生成氢。与现有技术相比，这样的装置的结构可并不昂贵，且相应地可在较低的成本下生产氢。此外，本装置，其中通过放电使得氨转化为等离子体并由此生成氢，可以相较使用催化反应生成氢更快的速度生成氢。根据例子I的氢生产装置I进一步的优点在于在源材料，氨，中所包含的氢可最终以氢气的形式100%提取。因而，不需要用于氨残留的额外步骤。
[0035]例子2
如图5中所示为提供有用于由氨生成氢的氢生成装置21的燃料电池系统20以及燃料电池31。燃料电池系统20的氢生成装置21具有高压脉冲电源2、等离子反应器3、放电空间4、高压电极5、内腔室6、接地电极7，以及气体供应单元15。装置的这些设备相较根据例子I的设备在尺寸上要大一些，不过其功能相同。因而，这些设备将不再累述而仅仅给出相同的附图标记。
[0036]氢流通通道22使形成于高压电极5内侧的内腔室6以及燃料电池31彼此连通。一泵23安装于氢流通通道22中。一旦氢产生装置I运行，泵23开始工作，从内腔室6的内侧抽气。在放电空间4中由源材料，氨，生产氢，氨通过气体供应单元15供应。生成的氢经由氢分离膜5传递并流入内腔室6。随后，氢从其内流出进入氢流通通道22并输送至燃料电池31。
[0037]根据本例，燃料电池系统20包括一废气引导通道24，用于将从燃料电池31释放出的氢废气引导入等离子反应器3中的放电空间4。通过废气引导通道24引导进入放电空间4的氢废气中所含有的氢穿过氢分离膜5并通过内腔室6以及氢流通通道22供应至燃料电池31。因而通过将由燃料电池31释放出的氢废气中分离氢并将分离的氢供应至燃料电池31，本例可进一步改进发电的效率以及成本效果。
[0038]在本例中所述的氢生成装置以及燃料电池可以可选地优化。例如，从气体供应单元15供应而来的气体并不需要限制为纯氨气，而是可选自含有氨气以及惰性气体的混合气。气体可为由液氨或尿素生成的纯氨或由含有氨和惰性气体的混合气中选择一种。在氨流速和/或高压电极以及接地电极间的距离变化的情况下，合适地改变施加电压从而使氢产率与例子中获得的产率相当。
工业实用性
[0039]根据本发明的氢生成装置可有利地应用于分散式电能量产生设备，紧急供电设备，以及燃料电池汽车。
附图标记说明
[0040]I氢生产装置 2高压脉冲电源
3等离子反应器 4放电空间 5高压电极 6内腔室 7接地电极 9气体供应通道 11，22氢流通通道 12氢分离膜 15气体供应单元 24废气引导通道 31燃料电池
【主权项】
1.一种用于由氨生成氢的氢生成装置，包括: 一等离子反应器； 一放置在等离子反应器内侧的高压电极，该高压电极与一高压脉冲电源连接； 一与高压电极相对，放置在等离子反应器外侧位置上的接地电极；以及 一用于供应含氨气体至等离子反应器的气体供应单元， 其中高压电极包括一氢分离膜，且高压电极在氢分离膜和接地电极之间通过自高压脉冲电源供应的电力放电，导致气体中所含的氨传化为等离子体并从而生成氢。
2.如权利要求1所述的氢生成装置，其中，等离子反应器具有圆柱形的外形， 高压电极包括与等离子反应器同心放置的圆柱形氢分离膜， 在等离子反应器以及氢分离膜之间形成有一放电空间，且在氢分离膜内侧上形成有一内腔室， 气体供应单元与放电空间连接，从而向放电空间供应含氨气体， 氢分离膜在氢分离膜以及接地电极之间放电，且氢分离膜传送流经的在放电空间内生成的氢并引导氢至内腔室。
3.一燃料电池系统，包括燃料电池以及氢生成装置，氢生成装置包括: 一等离子反应器， 一高压电极，包括放置在等离子体反应器内侧上，并由此形成内腔室的氢分离膜，且氢分离膜与高压脉冲电源连接； 一与高压电极相对，放置在等离子反应器外侧的位置上的接地电极； 一将含氨气体供应至等离子反应器及高压电极之间的放电空间的气体供应单元；以及 一与高压电极的内腔室连接的氢流通通道， 其中高压电极在氢分离膜以及接地电极之间放电，导致在放电空间中由气体供应单元供应的气体中所含的氨传化为等离子体，并由此生成氢， 氢分离膜传送流经的生成的氢并引导氢至内腔室，且 随后引导至内腔室的氢经由氢流通通道供应至燃料电池。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，进一步包括一废气引导通道，用于将从燃料电池中排出的氢废气引导入等离子反应器，其中氢分离膜流经传送被引导入等离子反应器中的氢废气中所含的氢从而从氢废气中分离氢，且由此分离的氢供应至燃料电池。
【专利摘要】为了提供由氨中高效地生成氢的氢生成装置以及使用高效生成的氢来发电的燃料电池系统。氢生成装置(1)提供有等离子反应器(3)；高压电极(5)；接地电极(7)；以及向等离子反应器供应含氨气体的气体供应单元(15)。高压电极(5)其内被构造有一氢分离膜(12)。在室温及大气压的条件下，高压电极(5)的氢分离膜(12)在接地电极(7)以及氢分离膜之间通过由高压脉冲电源(2)提供的电力放电，且通过将供给的氢中所含的氨转化为离子态而生成氢。
【IPC分类】H01M8-06, B01D53-22, C01B3-56, C01B3-04
【公开号】CN104661955
【申请号】CN201380050077
【发明人】神原信志, 三浦友规, 增井芽
【申请人】国立大学法人岐阜大学, 泽藤电机株式会社, 阿克特里股份有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2013年10月1日
【公告号】DE112013004853T5, US20150238922, WO2014054277A1