用于制氢的方法、装置和燃料的制作方法
【专利说明】用于制氨的方法、装置和燃料
[0001] 本申请是申请日为2010年1月27日的题为"用于制氨的方法、装置和燃料"的中 国专利申请No. 201080005666. 6的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及从一种包括金属氨化物MHx和/或金属棚氨化物M炬H4)x的流体燃料生 成氨的方法和装置。本发明也设及包括金属氨化物MHx和/或金属棚氨化物M炬H4)x的流体 燃料。此外，本发明还设及一种为制氨化y化ogengeneration)装置（再）加燃料（(re-) fuelling)的方法。
【背景技术】
[0003] 已知有多种工艺从包含金属氨化物或金属棚氨化物的燃料生成氨。
[0004]EP1 369 947公开了一种制氨方法，在该方法中，混合包括5~50%的化肌4、5~ 40%的化0HW及余量的水的溶液A与包括51~100%的水和49~0%的水溶性水添加剂 的溶液B。溶液B的化范围优选为2到7。溶液A和B混合后，化肌4出2〇的摩尔比率优选 为大于1 ;5,甚至更优选为大于1 ;6。优选将溶液A和B分开地定量供应（meter)至反应 室，并在反应室中进行混合和反应。棚氨化物的分割反应为
[0005]化肌4+4&0一4H2+Na0H+B (0H) 3
[0006] 在该实例中，溶液A由于其碱而被稳定化，而当加入溶液B时，通过降低所得水性 混合物的pH而开始发生反应。
[0007] 美国能源部值0巧规定了氨输送和储存的技术目标。到2010年，重量能量容量 (gravimetricenergycapacity)应当为1.8kWh/kg。到2015年，重量能量容量应当为 3kWh/kg= 10. 8MJ/kg。后一数值对应于9.Owt. -%的氨。操作环境温度的范围应当为-40°C 到 60°C。
[0008] 在实现2010目标的尝试中，FY2006年度进展报告第377页报道了DoE项目内对 氨化儀（Mg&)浆料的多次试验。试验浆料是粒径为100微米到1微米的Mg&颗粒在油中 的分散体，其中在分散体中加载有70%的Mg&D该浆料提供了最新的3. 6kWh/kg的物料容 量（materialcapacity)。浆料中的油防止Mg&无意中与空气中的水接触，且M巧2在室温 条件下反应非常缓慢，所W其处理起来相对安全，且可在空气中处理。通过给浆料加水并使 水与浆料混合，从而启动反应。MgH2的分解反应为
[0009]Mg&巧&0 一 2&+Mg(0H)2
[0010] 在现有技术的方法中，看起来不可能诱导发生瞬间反应（instantaneous reaction)，在瞬间反应情况下，在反应开始后可立即产生足量的氨来运行如机动车的氨燃 料电池。
【发明内容】
[0011]因此，本发明的第一目的是提供一种用于生成氨的方法和装置，通过该方法和装 置使得瞬间释放大量的氨成为可能。本发明的另一个目的是提供一种燃料，该燃料适用于 根据本发明的方法和/装置产生氨。本发明的另一个目的是提供一种简单的为制氨装置再 加燃料（补给燃料，re化lling)的方法，具体地，是为根据本发明的制氨装置再加燃料的方 法。
[0012] 该些和其他目的通过根据本发明的制氨方法和装置得W实现，其中，该方法包括 W下步骤；提供一种包括溶解或分散在惰性流体介质（inedfluidmedium)中的氨载体分 子或颗粒的氨载体流体，提供一种活化剂流体（activatorfluid),将该氨载体流体和活化 剂流体注入第一反应室，其中，将氨载体流体和活化剂流体注入反应室从而使氨载体分子 或颗粒与活化剂流体强烈混合（intensivemixing)。
[0013] 根据本发明的方法，将溶液或液体分散体用作燃料，该溶液或分散体包括溶解或 分散在惰性流体溶解或分散介质中的氨载体颗粒，如金属氨化物或金属棚氨化物的微颗 粒。燃料和活化剂流体被注入反应室，溶液或分散体和活化剂流体的注入导致燃料和活化 剂流体强烈混合，使得氨载体分子和活化剂流体紧密接触。分散体的注入也导致氨载体颗 粒从分散介质中分离出来，暴露于活化剂流体。燃料和活化剂流体的注入高度优选为燃料 和活化剂流体二者的直进式注入（在线注入，inlineinjection)。
[0014] 通过该方法，使得可在氨载体液滴或颗粒与活化剂流体的表面之间得到大的接触 面积，最小化甚至完全防止因为溶解介质屏蔽氨载体或分散介质附着在颗粒表面而导致的 对反应的阻碍，该是因为溶解介质会被分割成活化剂流体中的微小液滴，而分散介质会从 氨载体颗粒表面冲走。因此，在将溶液或分散体W及活化剂流体注入反应室后，微小液滴或 微颗粒表面暴露于活化剂，且制氨反应（产氨反应，hy化ogengeneratingreaction)立即 开始，并W高反应速率释放出氨。
[0015] 在很多情况下，当溶液或分散体W及活化剂流体在高压及合适的压力下注入时， 该方法甚至更为有效，然而，该取决于溶液或分散体，具体地，取决于氨载体的液滴或颗粒 尺寸、溶液或分散体中的载体加载量（carrierload)、溶液或分散体的粘度W及所用活化 剂流体的类型。通过采用高压来注入溶液或分散体，溶解或分散流体和/或活化剂流体的 注入速率得W提高，从而提高了将溶解介质分割为小液滴或将分散介质从氨载体颗粒表面 分离的效率。
[0016] 而且，可通过向溶解或分散介质和/或活化剂流体中添加乳化剂的方式，来促进 将溶解介质分割为小液滴或分散介质从氨载体颗粒分离，该是因为乳化剂能促进（方便， ease)溶解介质的乳化W及分散介质从颗粒表面冲走（洗掉，washingaway)。
[0017] 通过W上措施，反应可在将溶液或分散体W及活化剂流体注入反应室后少于一秒 (的时间内）开始。
[0018] 在一个优选的实施方式中，任何剩余的氨载体颗粒、分散介质、活化剂流体和反应 产物的混合物在第二混合阶段再次混合。在该阶段，剩余的载氨颗粒和活化剂的反应可完 成（complete)至99%或更高，使得基本上所有的氨载体分子参与反应，反应产物仍然分散 在分散介质中，从而能够容易地从储存它们的容器中去除反应产物。在该种情况下，可有利 地断续或连续添加额外的活化剂流体到混合物中。该第二混合阶段可优选在具有定子和转 子的高剪切混合器内进行。
[0019] 可有利地使用分离装置将氨从反应残余物中分离出来，特别地使用膜，W便释放 生成的所有的氨。此类分离装置在第二混阶段w及之后特别有用。
[0020] 更优选地，活化剂流体的总量略微超过与氨载体量进行反应的化学计量的量。
[002。 合适的氨载体为选自金属氨化物MHx和金属棚氨化物M炬H4)x构成的组中的一种 或多种，其中，M为金属，X表示具体金属的化合价（价，valence)。优选地，氨载体金属选 自Li、化、Be、Mg、Ca和A1构成的组中，特别优选的氨载体为Ca炬&)2和/或A1触4)3。
[0022] 为了提供用于反应的较大的表面积，氨载体的颗粒尺寸（粒径，particlesizes) 为10微米或更小，优选约1微米或更小，被认为是有利的。完全溶解的氨载体被认为特别 有利。
[0023] 作为惰性溶解或分散介质，优选为选自矿物油、己締和丙締的共聚物、聚（a)締 姪W及烷氧基離（ethera化oxylate)构成的组中的流体或流体的组合。
[0024]为了确保合适的能量容量（energycapacity)，优选使用氨载体或氨载体颗粒在 分散体中的浓度为至少60%的溶液或分散体。70~75%的浓度范围似乎能实现能量容量、 溶液或分散体粘度之间的平衡，防止氨载体在环境条件下发生意外反应。然而，根据氨载体 或氨载体的颗粒尺寸，更高的浓度可能也适用。
[00巧]有效的注入在较高的粘度下较为困难，在该种情况下，溶液或分散体的粘度则至 关重要。燃料累（化elpump)所需的功率也与累送燃料的粘度成比例，且输入任何累的功 率也可用作整个生产链的质量控制参数。因此，粘度为室温下水粘度的1到50倍，优选室 温下水粘度的1到25倍，更优选室温下水粘度的1到10倍，甚至更优选室温下水粘度的1 到5倍，且最优选室温下水粘度的1到2倍，被认为是有利的。
[0026] 优选的活化剂为水或主要包含水。氨载体和水之间的反应速率可随水的纯度而显 著提高。对于一些棚氨化物，发现反应速率按照所用水类型的W下顺序而提高；自来水 <去 矿物质水（软化水、脱盐水，demineralisedwater) <经反渗透处理的去矿物质水 < 经反渗 透处理且随后通过静电过滤器的去矿物质水。
[0027] 醇类，诸如甲醇、己醇和丙醇也可用作适合的活化剂流体。
[002引特别是在使用水的时候，添加防冻剂（特别是己二醇）W降低其凝固点，是有利 的。当使用己醇（alcohol)作为活化剂流体时，则不必添加防冻剂。可替换地，可提供加热 和/或隔热装置（insulatingmeans)，W防止水冻结。
[0029] 本发明的装置包括反应室、至少一个用于将燃料和活化剂流体注入反应室的燃料 喷射器（化elinjector)W及用于氨和反应残余物的出口。本发明装置的至少一个喷射器 适用于在注入燃料和活化剂时在反应室中促使（in化ce)立即发生制氨反应。
[0030] 本发明的装置优选包括
[0031]-燃料累，位于燃料喷射器的上游；和/或
[0032]-燃料隔间（化elcompartment)，与燃料喷射器流体连接；和/或
[0033]-活化剂流体累，位于活化剂喷射器的上游；和/或
[0034]-活化剂流体隔间，与活化剂流体喷射器流体连接；和/或 [00巧]-第二阶段混合器，特别为高剪切混合器；和/或
[0036]-废燃料累（spent化elpump)，用于反应残余物，位于反应室的下游；和/或
[0037]-废燃料隔间，用于反应残余物，位于反应室的下游。
[0038] 当使用第二阶段混合器时，其优选布置在反应室内，特别布置在反应室底部，其 中，分散介质、燃料和废燃料w及活化剂流体在注入反应室后聚集于此。然而，第二阶段混 合器也可位于第一反应室下游的第二反应室。当燃料为溶液时，不使用第二阶段混合器。
[0039] 优选提供分离装置用于将氨从反应残余物中分离出来。此类分离装置可例如包括 半渗透膜。
[0040] 用于燃料、活化剂流体和反应残余物的隔间（分隔区，compartments)优选为隔离 的柔性容器（flexiblecontainers),它们布置在设置有硬壳的一个燃料容器内，该燃料容 器--出于安全原因一可在低压下操作，W避免隔间内的任何流体逸出容器。作为另一项安 全防备措施，优选设置膜，来隔开用于燃料、活化剂流体和废燃料的柔性容器。作为又一项 安全措施，每个柔性容器和硬壳容器优选设置有管线，用于提供作为密封气体的氮气W及 排空任一容器内产生的过度压力。该管线优选设置有控制阀和机械安全阀。此外，柔性容 器和/或硬壳容器可设置有传感装置，用于传感和监控容器内的压力，其输出优选为与用 户接口通信。
[0041] 在一个优选的实施方式中，用于从燃料容器和活化剂容器提供燃料和活化剂流体 到反应室的每条流体管线设置有旁路化ypass)并在该旁路中设置有控制阀，允许燃料累 通过该旁路将燃料连续地再循环到燃料容器中，并允许活化剂流体累通过该旁路将活化剂 流体连续地再循环到活化剂流体燃料容器中。在启动每个旁路中的控制阀之后，燃料和活 化剂流体被供应至反应室中。