基于氨的氢气发生装置及使用该装置的方法

专利名称：基于氨的氢气发生装置及使用该装置的方法
技术领域：
本发明是在与美国军队研究办公室(United States Army ResearchOffice)有合同的情况下进行的，合同编号为No.DAAD19-01-C-0002，并且美国政府对本发明持有一定的权利。
1.发明领域本发明通常涉及化学领域。更具体地说，本发明涉及一种通过分解氨源所提供的氨而产生氢气的装置和方法。
2.发明背景氢气/空气燃料电池(H/AFCs)作为电池的替代品具备极大的潜力。由于它们操作时可以采用能量密度非常高的燃料，以燃料电池为基础的能源所提供的能量重量比就高于现有技术电池。燃料电池尤其能引起军队的兴趣，因为军队正在努力减轻士兵所必须携带的、用以支持高科技野外便携装备的能源的重量。而且，以燃料电池为基础的能源也具备巨大的商业应用潜力，尤其是在需要尺寸小、重量低的场合。
从功能上讲，燃料电池通过将氢气与氧气反应生成水而产生电能。因为氧气一般可从周围的大气中获得，因此，实施燃料电池操作所需的就是提供一个氢气的来源。仅提供压缩氢气并不总是一个可行的选择，因为高度压缩的氢气所占体积非常大。而占体积较少的液态氢气是一种低温液体，需要消耗大量的能源才能将其保持在维持液态形式所需的极低温度。
现在已有几种替代的方式。这些方式包括烃类和甲醇重整燃料、金属氢化物吸收氢气、能产生氢气的化学反应，以及氨的分解。其中，氨分解反应如下式所述
从氨制备氢气尤其具备吸引力，因为每千克氨的可用氢气产量相当高，而且氨分解产生氢气的反应也是一个易于理解并相对直接的反应。因为氨容易得到，价格相对又不贵，而且由氨制备氢气的产量又很大，因此，迫切需要研制一种处理氨以产生用于燃料电池及其它用途的氢气的装置。
为了和以电池为基础的能源竞争，上述H/AFC装置必须结构紧凑、性能可靠。因此，更迫切需要研制这样一种便携式氢气供应装置，该装置体积小于1升、质量低于1kg、在总能量输出为1kWh的情况下能产生高达50瓦特的功率。商业应用的金属氢化物贮气缸一般是930gm气缸，含有相当于100W-h的氢气，因此，能量密度上1kWh的总能量输出代表着比商业装置增加了一个数量级。
利用氨生产燃料电池所用氢气，存在的挑战之一就是H/AFCs不能容忍氨存在于氢气进料气体中，因此在氨裂化装置产生的H2/N2混合气体被送入燃料电池之前，必须除去其中的痕量氨。为实现此目的可以采用商业可购得的氨吸附剂(例如酸浸渍的碳)，但在氨裂化装置的转化效率不高的情况下，这类吸附剂的体积绝不能大。
采用相对较高的反应温度(850℃以上)可降低H2/N2产物中氨的含量，并降低所需的吸附剂的量。然而，采用这么高的反应温度也带来很多设计方面的挑战。在所需吸附剂的质量减少的情况下，就必须采用诸如铬镍铁合金、钼之类的高温耐火材料来制造高温反应器。这些材料常常需要诸如扩散粘结之类的复杂制造工艺，而不锈钢或者钛之类的更常规材料制造时则采用常规的铜焊接或者激光焊接工艺。
而且对任何已知设计来说，随着反应温度的升高，从反应器到环境温度的热损失也将增大。提高反应器的温度就降低了整体的能量效率，或者由于附加的绝缘措施而增大了设备的尺寸和重量。
而且，氢气发生反应器需要采用催化剂。催化剂有一个最低温度，也就是启活温度(light-off temperature)，在该温度时催化剂有利于氨分解反应；催化剂还有一个最高操作温度，该温度一般是催化剂及其载体(如果存在载体的话)的一个函数。催化材料一般分散在载体中。例如，很常见的就是将催化材料分散在氧化铝载体上。诸如此类的载体有一个最高允许操作温度。例如，在高于850℃时氧化铝载体将开始烧结(也就是说，氧化铝载体成分开始熔结在一起)。此时催化剂的效率大大降低。因此850℃以上的温度与很多形式的催化剂都不相容，尤其是负载型催化剂。
通过降低反应器温度，并且提高H2/N2产物中允许的残余氨量，就减少了设备设计时的限制因素，就可以采用常规的材料和制造工艺，还可以采用多种催化剂和催化剂载体。然而，以前的设计中需要很大体积的吸附剂来去除残余氨，这就显著增大了低温氢气产生装置的重量。
扩大燃料电池应用的关键步骤是研制紧凑型氢气发生装置，而减少这类紧凑型装置尺寸的关键步骤就是减少实施相对低温装置所需的吸附剂用量。例如，假设目标装置能产生50瓦特功率和1kWh的能量，其体积为1kg，并且假设氨反应器的转化效率为99.0％，此时就必须从反应器现存的H2/N2混合气体中除去总量为3.33g的氨。而商业可利用的氨吸附剂在痕量水(ppm级)的存在下仅能吸附最高约1重量％的氨(假设气流中存在相对少量的氨)，这也是工业级氨的典型含量。因此，转化效率99.0％的氨裂化反应器需要约333g的吸附剂。这样，吸附剂自身的质量就占了目标质量的三分之一，使得氢气产生装置的其它元件只能占很少的质量。因此，迫切需要研制可以在低于850℃的温度下操作的以氨为基础(ammonia-based)的氢气产生装置。
提供用于燃料电池及其它用途的紧凑型、基于氨的氢气发生装置还存在一个挑战，这就是选择一个能达到所需紧凑程度的反应器。评价一个反应器时要考虑的因素之一就是完成目标转化效率需要的停留时间，停留时间越长，需要的反应器体积越大。为了实现一个紧凑型的基于氨的氢气发生装置，就需要很短的停留时间，从而保证所用的反应器的体积很小。随着反应器体积的增大，其重量也增加。
一般而言，大规模的氢气发生装置需要填充床，氨在填充床中通过装有毫米级催化材料颗粒的受热容器。很多情况下，由于存在传热和传质阻力，反应器中的实际反应速率都显著低于理论上可能的反应速率(也就是根据固有反应动力学所预期的反应速率)。因此，迫切需要提供一个三维尺寸有利于快速的传热和传质以及提供短的停留时间的反应器。
很明显，我们希望提供这样一个用于燃料电池和其它应用的紧凑型、基于氨的氢气发生装置，它可以在相对低的温度(也就是说，介于约550℃至约650℃之间)下操作，并且，该装置中为去除H2/N2产物中的残余氨而需要采用的吸附剂的体积也不大，该装置还不需要填充床反应器。而本发明正满足了上述需要以及其它需求，还具备更多相关的优点。
发明详述现在根据本发明，我们已经发现了一个紧凑型的基于氨的氢气发生装置，可用于燃料电池和其它用途。该氢气产生装置在相对低的温度下操作，其中温度优选约550℃至约650℃之间，更优选在约550℃至约580℃之间，而且该装置中为去除残余氨所需的吸附剂的体积并不大。更进一步地说，在本发明的优选实施方案中，氢气产生装置并不需要填充床反应器。
在某些具体实施方案中，氢气产生装置采用了热催化反应器，该热催化反应器包括一个与燃烧室存在热量交换关系的反应室。在优选的实施方案中，反应器由一个顶板、一个底板以及一个放置在顶板和底板之间的反应器核心组成。反应器核心具有一个反应表面和一个燃烧表面，每个表面都有抬高的边缘，从而限定出相对的底边和相对的侧边。反应表面和顶板共同形成一个反应室，燃烧表面和底板共同形成一个燃烧室。
另外，反应器核心具有第一套间隔放置(spaced apart)、从反应表而放射状延伸的大量翅片(fin)，以及第二套间隔放置、从燃烧表面放射状延伸的大量翅片。在某些实施方案中，至少一套翅片的厚度为约0.5mm，高度为约2mm，长度为约50mm，而且相邻翅片之间的间距为约1mm。
第一套翅片限定出大量的燃烧通道，而第二套翅片限定出大量与相对侧边平行的反应通道，并且第二套翅片远离相对的底边。在某些实施方案中，这些由至少一套通道限定出的流动路径是直的。而在可选的实施方案中，这些由至少一套通道限定出的流动路径是Z字形的。并且在某些实施方案中，在燃烧室内第一套翅片的第二端之间放置燃烧催化剂，例如铂燃烧催化剂。
本发明的一个优点就是可以用诸如钛或者不锈钢之类的非耐火材料制造燃烧器。本发明的另一个优点在于反应可以在启活温度低于600℃的氨分解催化剂下实施。优选的催化剂包括含有钌或者镍的催化剂。在某些实施方案中，催化剂填充在反应通道中，而在可选实施方案中，催化剂被涂敷在反应室内流动通道的内表面上。
除了热催化反应器外，所发明的氢气产生装置还包括一个氨供应装置，一个将氨从氨供应装置输送至反应器的氨输送管线，一个将氢气从反应室移出的反应产物输送管线，以及一个与反应器操作连接的热源。在某些实施方案中，氨输送管线和反应产物输送管线二者之一从第一个相对的底边进入反应器核心，并且沿平行于第二套翅片的方向延伸进入反应器核心，最后终止于反应器的相对底边附近，而另一个管线则终止于第一个相对的底边。并且在某些实施方案中，安装在反应室外的反应产物输送管线的至少一部分是同轴安装在氨输送管线外侧的。
在某些实施方案中，热源是与氨供应装置流体连接的氨燃烧器。而且可选的方式中，热源是诸如电池或者燃料电池的电加热器。
在另外的可选具体实施方案中，热源是一种烃类燃烧器。在这些实施例中，一个燃烧流体输送管线从烃类燃料供应装置往燃烧室流动地输送一种可燃性的烃类，优选为丁烷，而废气管线将燃烧室中的燃烧副产物移出。并且，在某些实施方案中，燃烧流体管线或者废气管线二者之一从第一个相对的底边进入反应器核心，并且沿着第一套翅片延伸进入反应器核心，最后终止在反应器的相对底边附近，而另一个管线则终止于第一个相对的底边。
在某些实施方案中，氢气发生装置还包括一个与燃烧产物管线相连的吸附剂供应装置，用以除去氢气反应产物中残余的氨。在优选实施方案中，吸附剂是一种酸浸渍碳吸附剂，优选含有每克碳2毫摩尔的强酸吸附位～每克碳5毫摩尔强酸吸附位的酸浸渍碳吸附剂还有，在某些实施方案中，氨输送管线是用热传导材料制成的，并且通过吸附剂供应装置。而且某些实施方案还包括与反应产物输送管线相连接的第二个吸附剂供应装置，用以除去氢气中残余的氨，还包括用来选择性地将氨从氨供应装置引入第一个或者第二个吸附剂供应装置的第一个阀门，以及用来将反应产物选择性地引入第一个或者第二个吸附剂供应装置的第二个阀门。
在某些实施方案中氢气产生装置包括一个安装在反应器和吸附剂供应装置之间的氢气流体管线上的热交换器，优选是逆流型热交换器。在这些实施方案中，氨输送管线是由热传导材料制成的，而且通过热交换器。在优选实施方案中，热交换器安装在反应器和吸附剂供应装置之间的燃烧副产物排气管线上。
根据本发明，还提供了一种产生氢气的方法。该方法包括将氨引入热催化氢气发生反应器，为热催化氢气发生装置供给热量，然后再将反应器中的氨加热到低于850℃的温度，优选温度介于550℃和650℃之间，并加热足够的时间使氨分解为氢气和氮气，然后将含有氢气的反应产物移出反应器。
在某些实施方案中，在将氨引入反应器之前预热氨。而且，在某些实施方案中，反应产物含有残余的氨，而残余氨的去除方法就是使反应产物通过吸附剂供应装置。
附图概述参阅如下的详细描述并参考随后的附图，就更易于评价和理解本发明的上述方面和很多相关的优点，其中

图1是本发明的基于氨的氢气产生装置的主要组成部分的结构图。
图2是本发明的基于氨的氢气产生装置的优选实施例的等距图(isometric view)。
图3是根据本发明的氢气发生反应器的分解图。
图4是图3所示反应器的分解正视图，其中采用画在外部的排线来表示内部的细节(in phantom)。
图5是图3所示反应器的反应器核心部分的顶部俯视图。
图6是图3所示反应器的反应器核心部分的底部俯视图。
图7是图3所示反应器的顶部俯视图。
图8A是图3所示反应器的沿图7中A-A剖面线的横截面视图。
图8B是图3所示反应器的沿图7中B-B剖面线的横截面视图。
图9是采用第一种催化剂实施方案的反应器的顶部俯视图。
图10是采用第二种催化剂实施方案的反应器核心部分的顶部俯视图。
图11是图9所示反应器的沿图9中C-C剖面线的横截面视图。
图12是基于氨的氢气产生装置的可选实施例的主要组成部分的结构图。
图13是基于氨的氢气产生装置的另一个可选实施例的主要组成部分的结构图。
优选实施方案的详述为详细说明本发明的机理和实际操作，现对本发明的特定实施例作出详细的描述。然而，本发明还存在很多的修改方式，而且本发明的范围并不局限于下面给出的示例性实施方案。
图1所示的一个示例性的基于氨的氢气发生装置10包括一个氨供应装置12，一个吸附剂供应装置14，一个热交换器16，一个包含催化剂86(图9和图10)的氨分解反应器18，以及一个热源20。图1中所示的实施例还包括一个燃料电池22。然而，燃料电池22并非基于氨的氢气发生装置的必需组成部分。
氨供应装置12是含有液化氨的压力容器。对本领域普通技术人员而言，诸如此类的压力容器是常用而且容易购得的。氨可以通过压缩(每平方英寸114磅)和/或冷却至-33℃而液化。氨供应装置提供了足够量的液氨，以保证在氨供应装置补给前的预定时间内完成工作目标。
热源20提供了足够的热能，可以将反应器18升温至反应所需温度。所需热能的数量是氨体积、反应器尺寸以及所用的具体催化剂的函数。可以采用任何适宜的热源。例如，可以通过电、反应器外部燃料的燃烧、或者反应器内部的一部分氨的燃烧(也就是说，自热燃烧)来提供热能。
在一个优选实施方案中，热源20是一个以烃类为基础的燃烧器，它通过燃烧烃类燃料供应装置26供应的烃类气体而产生热能。在更优选的氢气产生装置中，烃类燃料是丁烷。
可选的，反应器18可以电加热，这种情况下热源20就包括一个电加热器，由可选电池24供给最初的能量。一旦反应器产生了氢气，就用燃料电池22为热源提供进一步所需的电能。然而，这一方法就给燃料电池增加了很大的电能负担。对一个50瓦的H/AFC而言，约40％的燃料电池输出功率必须回到反应器以保持反应器的温度。因此，使用者只能从50W的燃料电池获得30W的净功率，因为燃料电池22提供的某些电能被用在燃料电池中产生氢气燃料了。对特别紧凑的基于氨的氢气产生装置而言，并不优选电加热方式，这是因为所需的电池给氢气产生装置带来了很大的额外质量和重量。
对那些不局限于现有氨供应装置的本发明的实施例而言，可采用自热式加热以提供氢气产生所需的能量。在这些实施方案中，热源20包括一个氨燃烧器，燃烧氨供应装置12提供的氨，给反应器18提供热能。
自热式的加热要求对反应器和催化剂进行预热，以获得保持自热式反应所需的温度(所采用的催化剂的启活温度)。预热的实现方式包括使用相对小的烃类燃料供应装置，相对小的电池，或者改变空气/氨比率，也就是说，在开始过程中提供更多的空气从而支持常规的氨燃烧。一旦催化剂和反应器已经加热到高于催化剂启活温度，就减少提供的空气量，而此时自热式加热也可以实施了。
虽然这一实施方案不需要附加烃类燃料供应装置或者电池，但本该应用于分解产生氢气的氨却被用于燃烧过程以提供所需反应启动所需的能量。这样，在该实施方案中必须提供一定体积的额外的氨以供给所需的热能。同时还必须包含一个用以清除燃烧器中残存的氨的方法(例如一个吸附剂床)。
考虑到设备整体的质量，燃料燃烧过程比电加热更有优势。烃类燃料的能量密度几乎是常规碱性电池的一百倍，而氨的能量密度仅为烃类燃料的大约一半。如果通过燃料的燃烧提供热量，氨燃烧时所需的燃料质量就显著大于诸如丁烷之类的烃类燃料燃烧所需的燃料质量。
采用烃类燃料所节省的质量，一部分被所需的单独的烃类燃料罐抵消了。而丁烷燃料的蒸气压力相对较低，就可以很安全地采用轻质的罐。不采用氨而采用丁烷的原因除了丁烷比氨节省质量外，还因为丁烷/空气的火焰易于点火和控制。这样，以紧凑为关键条件的实施方案中，丁烷的燃烧就是加热反应器18的优选方式。
图3-图6说明了一个在小型化氢气发生装置中尤为有用的反应器实施例。反应器宽2厘米，长7厘米，高1厘米，其反应器体积(反应室体积)约3立方厘米。然而该反应器可以按比例放大到更大的尺寸，以在更大的基于氨的氢气发生装置中产生氢气。同样地，为了制备能在较长时间周期内提供适中的氢气体积的氢气发生装置，在采用了更大的氨和燃料供应装置的装置中，也可以采用上述反应器。这样的装置在诸如海洋救生之类的远程应用中尤为有用。该反应器的优点在于其的操作温度低于850℃，优选介于550℃和650℃之间，更优选介于550℃和580℃之间。因此反应器的制备就可以采用多种非耐火性的、具备良好热传导性的材料，例如金属合金。典型的金属包括钛和不锈钢。
反应器60包括一个顶板62，一个底板66和一个安装在顶板和底板之间的反应器64。反应器核心包括一个反应表面64a和一个燃烧表面64b，两个表面都有抬高的边缘，从而限定出相对的底边61a和61b以及相对的侧边63a和63b。反应表面和顶板共同形成一个反应室，燃烧表面和底板共同形成一个燃烧室。顶板、底板、反应器核心可以通过任何适宜的方式连接到一起，例如铜焊接或者激光焊接等。在优选实施方案中，反应器18被围在一个绝缘元件中以减少对环境温度的热损失。
大量间隔放置的、基本上呈直线放射状的翅片76a在反应表面64a上方从反应器核心64的中心延伸，还有大量间隔放置的、基本上呈直线放射状的翅片76b在燃烧表面64b下方延伸。优选翅片的厚度为约0.5mm，高度为约2mm，长度为约50mm。相邻翅片之间的间距优选为约1mm。这些翅片限定出大量的燃烧通道69和大量与相对侧边63a和63b平行的反应通道71，并且第二套翅片远离相对的底边61a和61b。
丁烷通过与燃烧室流体连接的燃烧流体管线68进入燃烧室，并分散到整个燃烧通道69中。燃烧产物通过排出流体管线70排出。必须在供给丁烷燃料的同时供给空气以支持丁烷的燃烧。优选的是，在丁烷进入燃烧室之前将丁烷与空气进行预混合。在优选实施方案中，与阀52集成的文丘里管(图中未单独示出)将周围空气与来自丁烷供应装置50(参见图2)的丁烷进行混合。可选的是，在丁烷流体管线进入燃烧室之前可并入一个单独的空气泵以通过空气管线(未示出)供应空气。
在某些实施方案中，在将空气/丁烷的混合物引入燃烧室之前，用热的燃烧产物的废热预热空气/丁烷的化合物。例如，为了在丁烷/空气燃烧之前提高它们的温度，可以采用一个将丁烷/空气输送管线置于排气管线中的套管式热交换器(未示出)。然而，必须注意防止预热过度，因为自燃温度(也就是，空气/丁烷不需要点火火花即可燃烧的温度)是430℃。
正如图6中可以清楚看到的，燃烧流体管线68从第一个相对的底边61a进入进入反应器核心，并沿平行于翅片76b的方向在反应器核心内一直延伸到反应器核心的另一个相对的底边61b附近。这些翅片并不紧邻燃烧流体管线，从而丁烷可以横穿反应器核心，因此，丁烷进入燃烧室的地方并不是燃烧产物离开燃烧室的地方，这就使得丁烷可以自由地横穿燃烧室整个长度。这种布置使未燃烧的丁烷在反应器中存在的可能性降为最低，并且使热燃烧气体与翅片之间的热能交换时间最大化。
在图3-图6表示的实施例中，丁烷离开燃烧流体管线68时，与铂网催化剂78进行接触，该铂网催化剂78安置在介于第二底边61b、翅片76b和燃烧管线末端之间的燃烧室中。典型地，网孔介于约20目到约80目之间，优选网孔为52目。
然后丁烷燃烧。在铂网78上发生的由铂催化的燃烧产生了热的燃烧气体，将该气体沿着燃烧通道69引入燃烧室相对底边处的排气管线70。在热气体进入排气流体管线所需的时间段内，翅片76b吸收了大量的热能，这些热能随后传导给位于反应器核心64反应部分的翅片76a。来自燃烧侧64b的热量被翅片76b吸收，而翅片76b与相应的翅片76a之间也有热交换关系。这些翅片间传递的热量确保了氨的充分加热，从而可以发生预期的分解反应。由翅片形成的通道式反应途径也降低了通过燃烧器时的压力损失，并允许使用轻质的空气鼓风机来提供燃烧所用的空气。
燃烧副产物通过排气流体管线70离开燃烧室。通过使用催化剂以及翅片76a和76b，超过90％的可用燃烧能量从丁烷燃烧过程中提取出来，并且传递给反应室。
氨通过氨输送管线72流入反应室，丁烷燃烧提供的热能将氨分解成氢气和氮气。所产生的氢气和氮气从反应产物输送管线74离开反应器。
图5中表示了氨进入反应室的流动路径，以及氢气/氮气产物离开反应室的流动路径。氨输送管线72从第一个相对的底边61a进入反应器核心64，并沿平行于翅片76a的方向延伸进入反应器核心，终止于反应器另一相对底边61b附近。正如图4中清楚所示，翅片并不紧邻氨输送管线或者燃烧产物输送管线74，这就使得氨输送管线可以横穿反应器核心，因此，氨进入反应室的位置与氢气/氮气产物离开反应室的位置不同。将氨输送管线的出口放置在反应器核心与反应产物输送管线相对的另一个底边，这样，氨在离开反应器核心之前必须横穿反应室整个长度。这种结构布置保证了足够的停留时间，使得几乎为痕量的氨也可以分解成所需的氢气/氮气产物。
在图3-图6所表示的实施例中，位于反应室管线74外的反应产物流体的一部分被同轴安装在氨输送管线外侧，从而在反应产物输送管线和氨输送管线之间进行了逆流的热量传递。经由反应产物输送管线离开反应器的热氢气氮气产物，加热了氨输送管线中流动的相对较冷的氨。通过在氨进入反应器之前对其提供热量，就降低了丁烷在反应器核心64的燃烧侧燃烧时所需的能量。
图7、8A和8B表示了装配好的反应器60。其中表示出丁烷流体管线68，排气流体管线70，氨输送管线72，氢气流体管线74，翅片76a和76b，以及铂网78催化剂。
反应器可以装载任何适宜的氨分解催化剂。根据反应器的操作温度选择所采用的特定催化剂。在优选实施方案中，装置在约550℃到约650℃下操作，最优选介于约550℃到约580℃之间。上述温度使得标准的施工材料也可以用来制造反应器。尽管温度越高，反应器将氨转化为氢气和氮气的效率也会略高，但是操作温度超过850℃的反应器就必须采用诸如耐火材料之类的特殊材料来制造。
为了上述目的也可以采用不同类型的催化剂，而特定催化剂(以及所需的任何载体，例如氧化铝)的特定性质影响反应器的设计。优选的是，催化剂的启活温度低于600℃，最佳操作温度低于650℃。虽然上述温度下的转化效率低于在更高温度下催化剂所可能获得的转换效率，但上述优选的较低温度却使得诸如钛和不锈钢之类的常规材料能用于制造反应器18。
特定的催化剂具备特定的活性，这将影响反应器的尺寸。例如，获得相同转化效率，相同体积的不同催化剂需要的流动速率不同。同样，为了获得相同的转化效率，相同流动速率的不同催化剂需要的反应器体积也不同。因此，所选的催化剂将影响最佳的温度条件、流动速率和反应器体积。优选的催化剂包括钌基催化剂，它经常以分散在氧化铝载体上的钌的形式提供，例如从Johnson Matthey购得的Type 146。然而，由于反应器的操作温度低于650℃，就要采用具备很高表面积的催化剂载体，例如γ氧化铝和纳米级氧化钛等。因此，本发明的优点还在于可以采用分散在γ氧化铝载体或纳米级氧化钛载体上的钌催化剂。
如果采用了自热式加热，就需要在氨中添加一些氧气以支持燃烧。氧气将对某些催化剂，例如钌基催化剂，产生负面的影响。因此，采用了自热式加热的装置就需要采用具备抗氧性的催化剂。另外，还必须采用抗腐蚀的材料，而不能采用不锈钢，这是由于氨和燃烧产生的水所形成的混合物具有腐蚀性。
还有，如果反应器含有氧气敏感性的催化剂，装配时(也就是焊接反应器的顶板时)最好采用还原空气以防止催化剂的氧化。
优选的催化剂还有镍基催化剂，例如从UK的ICI/Katalco购得的Katalco 27-7TM。然而，要达到类似的转化效率，镍催化剂比钌催化剂需要更长的停留时间。钌催化剂的停留时间约为镍催化剂的十分之一。
其它合适的催化剂包括氧化铁、铑以及铼催化剂。
正因为碳基吸附剂在除去氢气/氮气混合物中残余氨时的效率，反应器18最好能将99.9％的氨转化为氢气和氮气，这样反应产物中残余氨的含量就可低于1000ppm。
在图1所表示的实施例中，热的氮气和氢气的混合物离开反应器18后流入热交换器16，在热交换器内更冷的氨(由氨供应装置12经氨输送管线15而进入反应器18)吸收了离开反应器的较热的氮气和氢气的热能。优选采用一个逆流型的热交换器，而另外的一个实施方案也可采用套管型热交换器。在优选实施方案中，热交换器外围有绝缘元件以使对环境温度的热损失降为最小。
在氨从氨供应装置12流向反应器18的流动过程以及装在吸附剂供应装置14内的吸附剂二者之间建立热量交换关系，这是基于双重目的。首先，要得到高能量效率的氢气发生装置，很重要的一步就是在氨进入反应器之前预热氨。如果没有热量交换，就不能回收离开反应器的热氢气/氮气混合物的能量，就会损失很大部分的能量。而能量的损失必然需要消耗更多的燃料来加热反应器，从而增大了装置的尺寸、重量和操作成本。其次，在氮气/氢气混合物进入吸附供应装置之前将其冷却，可以减少、或者消除氢气/氮气混合物带来的吸附剂热能积聚，从而提高了吸附剂的效率。优选的是，热交换器16将氢气/氮气产物的温度降为低于约80℃，更优选的是降为接近室温的温度。
已经冷却的氢气/氮气产物离开热交换器16后流入吸附剂供应装置14，在这里吸附剂吸附了离开反应器18的氢气和氮气中存在的任何残余氨。要提供足够量的吸附剂，从而可以保证在补给吸附剂之前的预定时间内完成工作目标。优选的是，吸附剂供应装置中的吸附剂除去氢气/氮气产物中几乎全部(剩余氨浓度低于1ppm)的氨。
优选的吸附剂包括碳和改性碳吸附剂。最优选的吸附剂包括表面经浸渍而含有键合酸分子的碳。这样键合上的酸中和了残余的氨。最优选的吸附剂的每克碳上至少含有2毫摩尔强酸吸收位，并且，最优选的吸附剂的每克碳最高可含5毫摩尔强酸吸收位。
液氨经由氨输送管线15通过吸附剂供应装置14。氨输送管线通过吸附剂，从而在氨输送管线内流动的氨和吸附剂之间发生了热量的交换。氨没有被吸附剂过滤掉，因为氨留在流体管线中，并没有接触吸附剂。
在吸附剂供应装置14中，至少一部分的液氨回到气相状态，并从周围的吸附剂(也就是说，1克氨吸收327卡路里的热量)吸收了很大部分的热量。通过这种方式，氨供应装置提供的氨冷却了吸附剂供应装置中的吸附剂，由此也保证了温度敏感性吸附剂的吸附效率。在离开吸附剂供应装置时，氨输送管线15与热交换器16流体连接，因而，离开反应器18的热的氢气和氮气与更冷的氨气之间进行热量的交换，从而冷却了氢气/氮气气体混合物并提高了氨的温度。
图1中对氢气发生装置10的功能化元件进行了探讨，这些功能化元件装配在图2所示的优选紧凑型实施例中。优选的是，小型氢气发生装置30的体积小于1L，质量低于1kg，并能提供足够的氢气燃料以在1kWh总能量输出时产生高达50W的电功率。
一个压力调节器32与液氨供应装置36相连。为了使氨供应装置的重量最小化，使用了诸如钛合金类的轻质而坚固的材料。为了提供333g的氨贮存量，氨供应装置的体积大约为600ml。钛合金容器当体积为600ml时质量约为84g。这样，在1000g的目标质量中氨及其供应罐占了417g。
氨输送管线40通过接头38a与压力调节器32相连，通过接头38b与吸附剂筒42相连。液化氨流入装有约30g吸附剂的吸附剂筒42，并在那里将其中的吸附剂冷却。离开反应器46的热氢气/氮气混合物与吸附剂筒中的吸附剂进行流体交换。相对较冷的氨吸收了吸附剂的部分热量，加热了氨并冷却了吸附剂，从而保证吸附剂在最佳条件下工作。吸附剂筒的质量(不含吸附剂)大约为15g。小型氢气发生装置30中，氨贮存罐、氨本身、吸附剂筒以及吸附剂部分的总重为462g(不包括接头和管道系统)。
离开吸附剂筒42的氨通过接头38c、并经由氨输送管线40b流入热交换器44。氨通过接头38d进入上述热交换器。由于热交换器和反应器46都包括在一个箱体中，热交换器的细节就不够清楚。该热交换器为逆流型热交换器，使得进入热交换器的氨能和离开反应器30的热氢气和氮气进行热量的交换。优选该热交换器为质量约为30g的套管型热交换器。在一个实施例中，热交换器约为15厘米长。某些实施例中，为了减少热交换器的长度而采用螺旋套管型的热交换器。
热交换器44在氨进入反应器46之前进一步提升了氨的温度。然后，预热过的氨进入反应器，而反应器内放置的烃类燃烧器(或者其它的热源)所提供的附加热量也存在于反应器中。因此就有足够的热量将反应器加热到并保持在操作温度。丁烷是由一个相对轻质的压缩容器50提供的，由一个压力调节器52控制进入反应器的丁烷的流量。
必须将空气与丁烷燃料进行混合以支持燃烧。虽然也可以在小型氢气发生装置30中再包括一个单独的空气泵和空气管线(图内未示出)，但优选的是，压力调节器52不仅用于调节丁烷燃料的流速，还可用于将周围空气与丁烷混合从而提供燃烧所需的合适的燃料/空气混合物。丁烷经由压力调节器和流体接头38i而离开丁烷容器50，然后流入丁烷流体管线48。丁烷流体管线与流体接头38e相连，在该接头处丁烷进入反应器46，在反应器中丁烷燃烧以提供所需的热能。
在某些实施例中，丁烷或者其它的氢气流入一个临界孔(criticalorifice)(图中未示出)，从而在气体进入反应器之前可以产生临界流动。当孔内气体的流速等于在该特定气体中声音的传播速度时，就产生了邻接流动。产生临界流动是一个有效的方法，因为在这种情况下，不管下游的压力如何波动，只要上游压力稳定而且上游压力和下游压力之间比值低于“临界比”，气体流动就可以维持在几乎是恒定的状态。很多常见气体的临界比都大约是0.5，而且还可以根据热动力学原理进行估计。以空气为例，如果上游压力为20PSIG(34.7 PSIA)，那么只要下游压力低于约2.7 PSIG(17.4 PSIA，当临界比为0.5时等同于34.7 PSIA)，流体流动就将是恒定的。
大约需要40g的丁烷来提供333g氨分解所需的热量。丁烷容器50约重30g，而压力调节器/空气混合器的重量低于20g。所需的接头和管线约重80g。在上述热源为丁烷类的烃类燃料的实施例中，进入反应器46的燃料必须点火，例如采用压电式电火器(未示出)，才能燃烧。这样的点火器的质量约为20g。
优选以轻质材料制造反应器46。钛是一种轻质而且可以承受所需的温度的材料。为了将重量最小化，用以基本上围住反应器的绝缘材料优选真空成型的气凝胶面板。含有催化剂的钛反应器约重50g，热交换器和反应器外的箱体和绝缘层约重110g。
热的氢气氮气混合物经由热交换器44而离开反应器46，再通过流体接头38f进入反应产物输送管线54，该管线通过流体接头38g与吸附剂筒相连。当热的氢气氮气混合物进入吸附剂筒时，残余的氨被去除。这样不含氨的氢气就经由流体接头38h而从吸附剂筒释放出来。
接头和管线约重80g，这就使得总的装备重量为842g。图2中所示的质量仅仅是示例性的，也可以通过增加或者减少小型氢气发生装置30组成元件尺寸和重量的方法来制备体积大于1L、能量大于或小于50watt/lkWh的小型氢气发生装置。
表11kWh装置的元件质量
在图9和图10示出的实施例中，催化剂86填充在反应通道内。在图11示出的两个可选实施方案中，催化剂涂敷在反应室内的翅片上。其中一个可选实施例中，为了使被涂敷的表面积最大化，翅片76c不是直的，而是Z字形或是其它非线性构形。在另外的可选实施例中，翅片76d比图3-图6中的翅片更薄，这样就可以在同样的反应器体积中放置更多薄构形的翅片，从而增大了可以放置催化剂的表面积。由此可推知，也可以采用能够增大了反应器一侧的内表面积的其它构形翅片。还可推知，可以采用单一构形的翅片或者多种构形结合的翅片。从整体上而言优选反应器内每个部分具有相似的翅片构形，这可以使得反应器内不同部分之间的流体路径基本上相同。
本发明一个可选实施例中的装置，是基于在长时间内提供例如35瓦的适中电功率输出，且无需维持(例如，氨或者吸附剂的再次补充)的目的而设计的。另一个特定的实施例中的装置是用于海洋救生中提供电功率的(通常可以收集天气数据或者促进航海)。可以连续地产生35瓦特功率的装置重约5kg，其中包括氨、氨贮罐以及吸附剂的重量。氨和吸附剂6个月的供应量约为52kg。也可以通过增大氨贮罐容量的方法获得更长的操作时间。
图12表示出了基于氨的氢气产生装置10a的功能化元件，该装置在海洋环境中尤为适用。这些元件除了还包括一个空气鼓风机92和一个空气清洁器90外，与图1所表示的功能化元件基本上相同，这是因为在海洋环境中应用时必须除去进入燃料电池的空气中的盐水。鼓风机由燃料电池22产生的电驱动，用于强制空气进入空气清洁器。空气清洁器除去了将在燃料电池22中结合氢气以产生电能的空气中的盐和水。这个实施例采用了一个启动电池94，它在燃料电池开始发电之前为空气鼓风机供给最初的能量。当燃料电池开始发电时，燃料电池为空气鼓风机提供能量，还可以为启动电池94充电。
如图所示，基于氨的氢气发生装置10a的热源优选为电加热器，先由启动电池94、然后由燃料电池22供给能量。可选的是，热源20也可以是烃类燃烧器或者氨燃烧器。虽然烃类燃料的能量密度比氨更大，但基于氨的氢气发生装置10a尤其适用于需要更长操作时间的情况，而不是用于紧凑型设计。不用烃类燃料就意味着降低了维持成本，因为只有氨和吸附剂需要再次补充。这样，对尤其适用于长时间操作的基于氨的氢气发生装置而言，电加热或者氨燃烧器是优选的热源。吸附剂供应装置14装有2kg吸附剂，从而使得基于氨的氢气发生装置10a可以在6个月的时间内持续产生35瓦特的功率。
为了得到更长的无需维持的操作时间而对基于氨的装置进行最优化，得到的最优化装置10b如图13所示。该装置包括了一个显著增大的氨供应装置12a。例如，当其产生的氢气用于制备35瓦特持续电功率时，150kg的氨供应足够用18个月。
与采用单一吸附剂供应装置不同，基于氨的氢气发生装置10b用了两个吸附剂供应装置14a和14b。其中吸附剂供应装置14a是在线连接的，用以除去反应产物气体中的残余氢；吸附剂供应装置14b是再生的，反之亦然。这种方式显著减少了所需的吸附剂质量。实际上，所需吸附剂的量不再是需要过滤的氢气产物总体积的函数，而是在再生离线吸附剂供应装置所需的时间内需要处理的氢气量的函数。如果吸附剂供应装置再生需要约10个小时，每个吸附剂供应装置所需的尺寸就与氢气产物十小时内的流量相对应。如果没有吸附剂的再生，这样的装置将操作20小时。但是，通过不断地再生吸附剂，以及在每个再生后的吸附剂供应装置14a和14b之间进行循环，装置操作时间可以比20小时长很多。虽然一定数量的再生循环之后吸附剂的效率将下降，但是，这样的装置在必须更换吸附剂之前可以操作数千小时。再生过程中释放出来的氨可以燃烧以提供热量，也可以裂解以产生氢气。可选的是，氨也可以被酸性溶液吸收。
操作时，来自氨供应装置12a的氨进入阀门98a，由阀门98a引入当时在线、不处于再生过程的吸附剂供应装置14a或者14b。氨输送管线15通过在线的吸附剂供应装置，将吸附剂冷却。然后氨通过热交换器16并进入反应器18。一旦氢气/氮气离开热交换器，阀门98b就进行调节使反应产物进入在线的吸附剂供应装置。吸附剂除去了氢气产物中的氨，使残余氨的含量低于1ppm，然后基本上不含氨的氢气被提供给燃料电池以产生电能。
优选热源20是电加热器，最初由可充电式启动电池94加热，然后，一旦开始产生氢气就由燃料电池22为其供给能量。热源部件提供的能量不仅可以提供给反应器18以驱使氨的分解反应，而且还用以再生离线的吸附剂供应装置。
在优选实施例中，吸附剂加热再生。吸附剂加热到一定的时间和温度使得被吸附的氨释放出来，释放出来的氨或者用来燃烧以产生热量或者用于裂解产生氢气。热源20a可以是吸附剂供应装置和反应器二者的唯一的阻力元件，和/或每个吸附剂供应装置及反应器都有单独的电加热器。提高装置热效率的一个方法就是，在每个吸附剂供应装置中都包括一个热交换器(未示出)，并将反应器出来的热的燃烧气体引入离线吸附剂供应装置的热交换器，从而可以提供吸附剂再生所需热量的一部分。
空气鼓风机92和空气过滤器90a是可选元件。再生过程中如果有洁净的空气流通过吸附剂，就可以更快地、或在低温下完成碳的再生过程。阀门98c用以确保将空气流引入处于再生过程的吸附剂供应装置。基于氨的氢气发生装置10b所配置的环境决定了空气过滤器90a的设计。在海洋环境中过滤器90a应设计为能除去水和盐。在沙漠环境中过滤器90a应设计为能除去细小颗粒(沙和粗砂)。
可选的实施方案还包括附加的吸附剂供应装置。采用吸附剂供应装置就意味着在装置持续工作的情况下有更长的再生循环时间。
虽然已经结合优选的实施方案来描述了本发明，但本领域普通技术人员可以理解，在不背离本发明的精神的条件下对本发明有很多改良形式。因此，上述的描述无论如何也不是对本发明范围的限制。
权利要求
1.一种基于氨的氢气发生装置，包括氨供应装置；热催化氢气发生反应器，其包括与燃烧室存在热交换关系的反应室；将氨从氨供应装置输送至反应室的氨输送管线；将氢气从反应室输送出来的反应产物输送管线；将可燃性流体输送到燃烧室的燃烧流体输送管线；将燃烧副产物从燃烧室输送出来的燃烧副产物排气管线；和与反应器操作连接的热源。
2.如权利要求1所述的氢气发生装置，其中氢气发生反应器包括顶板，底板以及放置在顶板和底板之间的反应器核心，该反应器核心具有反应表面和燃烧表面，每个表面都有抬高的边缘，从而限定出相对的末端和相对的侧边，并且该反应核心具有第一套间隔放置、从反应表面向外延伸的翅片，以及第二套间隔放置、从燃烧表面向外延伸的翅片，第一套翅片限定出第一套大量的燃烧通道，并且第二套翅片限定出第二套大量的反应通道，每套通道都沿着从其中一个相对侧边到其它相对侧边的方向产生了气体流动路径，而且每套通道都与相对的末端间隔放置；反应表面和顶板共同形成所述反应室，燃烧表面和底板共同形成所述燃烧室。
3.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中至少一套翅片的厚度为约0.5mm，高度为约2mm，长度为约50mm，并且相邻翅片之间的间距为约1mm。
4.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中至少一套通道产生的流动路径是直的。
5.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中至少一套通道产生的流动路径是Z字形的。
6.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中所述反应器是由非耐火金属制造的。
7.如权利要求6所述的氢气发生装置，其中所述非耐火金属是钛或者不锈钢。
8.如权利要求2所述的氢气发生装置，还进一步包括该反应室装有启活温度低于600℃的氨分解催化剂。
9.如权利要求8所述的氢气发生装置，其中所述催化剂填充在反应通道中。
10.如权利要求8所述的氢气发生装置，其中所述催化剂涂敷在反应室中的流动通道的内表面上。
11.如权利要求8所述的氢气发生装置，其中所述氨分解催化剂含有钌。
12.如权利要求8所述的氢气发生装置，其中所述氨分解催化剂含有镍。
13.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中氨输送管线和反应产物输送管线中至少一个从第一个相对的末端进入反应器核心，并且沿平行于第二套翅片的方向延伸进入反应器核心，最后终止于反应器的相对末端附近，而另一个管线则终止于所述第一个相对的末端。
14.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中至少一部分安装在反应产物输送管线外的反应产物输送管线是同轴安装在氨输送管线外侧的。
15.如权利要求2所述的氢气发生装置，进一步包括一种燃烧催化剂，该催化剂在燃烧室内，安装在第一套翅片的第二末端和燃烧流体管线的末端之间。
16.如权利要求15所述的氢气发生装置，其中的燃烧催化剂是铂燃烧催化剂。
17.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中的热源是与氨供应装置流体连接的氨燃烧器。
18.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中氨供应装置为氨燃烧器提供氨。
19.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中的热源是烃类燃烧器。
20.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中燃烧流体管线从第一个相对的末端进入反应器核心，并且沿平行于第一套翅片的方向延伸进入反应器核心，最后终止于反应器的相对末端附近。
21.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中的烃类供给装置是一个丁烷供给装置。
22.如权利要求2所述的氢气发生装置，进一步包括与反应产物输送管线相连的第一个吸附剂供应装置，以除去氢气中的残余氨。
23.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中的氨输送管线由热传导性材料制成，并通过吸附剂供应装置。
24.如权利要求2所述的氢气发生装置，其中的吸附剂是一种酸浸渍的碳吸附剂。
25.如权利要求24所述的氢气发生装置，其中的吸附剂是介于每克碳2毫摩尔强酸吸附位到每克碳5毫摩尔强酸吸附位之间。
26.如权利要求22所述的氢气发生装置，进一步包括与反应产物输送管线相连、用以除去氢气中残余氨的第二个吸附剂供应装置，以及用来选择性地将氨从氨供应装置引入第一个或者第二个吸附剂供应装置的第一个阀门，和用来选择性地将反应产物引入第一个或者第二个吸附剂供应装置的第二个阀门。
27.如权利要求2所述的氢气发生装置，进一步包括与燃烧副产物排气管线以及氨输送管线操作连接的热交换器。
28.如权利要求27所述的氢气发生装置，其中的热交换器安装在反应器和吸附剂供应装置之间的燃烧副产物排气管线上。
29.如权利要求2所述的氢气发生装置，进一步包括与反应产物输送管线流体连接的燃料电池。
30.一种基于氨的氢气发生装置，包括氨供应装置；热催化氢气发生反应器，包括顶板，底板以及放置在顶板和底板之间的反应器核心，该反应器核心具有反应表面和燃烧表面，每个表面都有抬高的边缘，从而限定出相对的末端和相对的侧边，该反应核心具有第一套间隔放置、从反应表面向外延伸的翅片，以及第二套间隔放置、从燃烧表面向外延伸的翅片，第一套翅片限定出第一套大量的燃烧通道，并且第二套翅片限定出第二套大量的反应通道，每套通道都沿着从其中一个相对侧边到其它相对侧边的方向产生了气体流动路径，而且每套通道都与相对的末端间隔放置；反应表面和顶板共同形成一个反应室，燃烧表面和底板共同形成一个燃烧室；一种装载在反应室内的启活温度低于600℃的氨分解催化剂；一种放置在燃烧室内、介于第一套翅片的第二末端以和燃烧流体管线末端之间的铂燃烧催化剂；将氨从氨供应装置输送至反应室的氨输送管线；将氢气从反应室输送出来的反应产物输送管线；将可燃性流体输送到燃烧室的燃烧流体输送管线；将燃烧副产物从燃烧室输送出来的燃烧副产物排气管线；和与反应器相连的烃类燃烧器；与反应产物输送管线相连的酸浸渍碳吸附剂供应装置，用以除去氢气中的残余氨，其中的酸浸渍碳是介于每克碳2毫摩尔强酸吸附位到每克碳5毫摩尔强酸吸附位之间，其中的氨输送管线由热传导性材料制成，并通过吸附剂供应装置；位于反应器和吸附剂供应装置之间、与燃烧副产物排气管线以及氨供应管线操作连接的热交换器；和与反应产物输送管线流体连接的燃料电池。
31.如权利要求30所述的氢气发生装置，其中至少一套通道产生的流动路径是直的。
32.如权利要求30所述的氢气发生装置，其中至少一套通道产生的流动路径是Z字形的。
33.如权利要求30所述的氢气发生装置，其中所述催化剂填充在反应室中。
34.如权利要求30所述的氢气发生装置，其中所述催化剂涂敷在反应室中的流动通道的内表面上。
35.如权利要求30所述的氢气发生装置，其中所述氨分解催化剂含有钌。
36.如权利要求30所述的氢气发生装置，其中所述氨分解催化剂含有镍。
37.如权利要求30所述的氢气发生装置，其中氨输送管线和反应产物输送管线中至少一个从第一个相对的末端进入反应器核心，并且沿平行于第二套翅片的方向延伸进入反应器核心，最后终止于反应器的相对末端附近，另一个管线则终止于第一个相对的末端。
38.如权利要求30所述的氢气发生装置，其中燃烧流体管线从第一个相对的末端进入反应器核心，并且沿平行于第一套翅片的方向延伸进入反应器核心，最后终止于反应器的相对末端附近。
39.一种基于氨的氢气发生装置，包括氨供应装置；热催化氢气发生反应器；将氨从氨供应装置输送至反应室的氨输送管线；将氢气从反应室输送出来的反应产物输送管线；将可燃性流体输送到燃烧室的燃烧流体输送管线；将燃烧副产物从燃烧室输送出来的燃烧副产物排气管线；与反应器操作连接的热源；和第一个与氢气输送管线相连的吸附剂供应装置，用以除去氢气中的残余氨，其中的氨输送管线由热传导性材料制成，并通过吸附剂供应装置。
40.如权利要求39所述的氢气发生装置，其中的吸附剂是一种酸浸渍碳吸附剂。
41.如权利要求40所述的氢气发生装置，其中吸附剂具有每克碳2毫摩尔的强酸吸附位到每克碳5毫摩尔的强酸吸附位。
42.如权利要求39所述的氢气发生装置，进一步包括与反应产物输送管线相连、用以除去氢气中残余氨的第二个吸附剂供应装置，以及用来选择性地将氨从氨供应装置引入第一个或者第二个吸附剂供应装置的第一个阀门，和用来选择性地将反应产物引入第一个或者第二个吸附剂供应装置的第二个阀门。
43.如权利要求39所述的氢气发生装置，进一步包括与燃烧副产物排气管线以及氨输送管线操作连接的热交换器。
44.如权利要求43所述的氢气发生装置，其中的热交换器安装在反应器和吸附剂供应装置之间的燃烧副产物排气管线中。
45.如权利要求39所述的氢气发生装置，其中的热源为电加热器。
46.如权利要求45所述的氢气发生装置，其中的电加热器是电池。
47.如权利要求46所述的氢气发生装置，其中的电加热器是燃料电池。
48.如权利要求47所述的氢气发生装置，进一步包括与反应产物输送管线流体连接的燃料电池。
49.一种基于氨的氢气发生装置，包括氨供应装置；热催化氢气发生反应器；将氨从氨供应装置输送至反应室的氨输送管线；将氢气从反应室输送出来的反应产物输送管线；将可燃性流体输送到燃烧室的燃烧流体输送管线；将燃烧副产物从燃烧室输送出来的燃烧副产物排气管线；与反应器操作连接的热源；和第一个与氢气流体管线相连的含有酸浸渍碳吸附剂的吸附剂供应装置，用以除去氢气中的残余氨，其中的酸浸渍碳吸附剂具有每克碳2毫摩尔的强酸吸附位到每克碳5毫摩尔的强酸吸附位，其中的氨输送管线由热传导性材料制成，并通过吸附剂供应装置；安装在反应器和吸附剂供应装置之间的燃烧副产物排气管线上的热交换器；和与反应产物输送管线流体连接的燃料电池。
50.如权利要求49所述的氢气发生装置，进一步包括与反应产物输送管线相连、用以除去氢气中残余氨的第二个吸附剂供应装置，以及用来选择性地将氨从氨供应装置引入第一个或者第二个吸附剂供应装置的第一个阀门，和用来选择性地将反应产物引入第一个或者第二个吸附剂供应装置的第二个阀门。
51.一种基于氨的氢气发生装置，包括氨供应装置；热催化氢气发生反应器；将氨从氨供应装置输送至反应室的氨输送管线；将氢气从反应室输送出来的反应产物输送管线；将可燃性流体输送到燃烧室的燃烧流体输送管线；将燃烧副产物从燃烧室输送出来的燃烧副产物排气管线；与反应器操作连接的热源；和与燃烧副产物排气管线和氨输送管线操作连接的热交换器。
52.如权利要求51所述的氢气发生装置，其中的热交换器安装在反应器和吸附剂供应装置之间的燃烧副产物排气管线上。
53.如权利要求51所述的氢气发生装置，其中的热源为电加热器。
54.如权利要求51所述的氢气发生装置，其中的电加热器是电池。
55.如权利要求51所述的氢气发生装置，其中的电加热器是燃料电池。
56.如权利要求51所述的氢气发生装置，进一步包括与反应产物输送管线流体连接的燃料电池。
57.一种产生氢气的方法，包括将氨引入热催化氢气发生反应器的反应室，该反应器包括顶板，底板以及安置在顶板和底板之间的反应器核心，该反应器核心具有反应表面和燃烧表面，每个表面都有抬高的边缘，从而限定出相对的末端和相对的侧边，该反应核心具有第一套间隔放置、从反应表面向外延伸的翅片，以及第二套间隔放置、从燃烧表面向外延伸的翅片，第一套翅片限定出第一套大量的燃烧通道，并且第二套翅片限定出第二套大量的反应通道，每套通道都沿着从其中一个相对侧边到其它相对侧边的方向产生了气体流动路径，而且每套通道都与相对的末端间隔放置；反应表面和顶板共同形成所述反应室，燃烧表面和底板共同形成燃烧室；为反应器供给热量；将反应器内的氨加热到介于550℃和650℃之间，并加热足够长的时间将氨分解为含有氢气和氮气的反应产物；和从反应器中移出反应产物。
58.如权利要求57所述的方法，进一步还包括在将氨引入反应器之前预热氨。
59.如权利要求57所述的方法，其中燃烧氨以供给反应器热量。
60.如权利要求57所述的方法，其中燃烧烃类以供给反应器热量。
61.如权利要求57所述的方法，其中燃烧丁烷以供给反应器热量。
62.如权利要求57所述的方法，其中反应产物含有残余氨，并且将反应产物通过吸附剂供应装置而除去残余氨。
63.一种产生氢气的方法，包括将氨引入热催化氢气发生反应器；为反应器供给热量；将反应器内的氨加热到介于550℃和650℃之间，并加热足够长的时间将氨分解为包含氢气、氮气以及残余氨的反应产物；从反应器中移出反应产物；和将反应产物通过吸附剂供应装置以除去残余氨，其中在氨进入反应器之前将氨通过吸附剂供应装置。
64.一种产生氢气的方法，包括将氨引入热催化氢气发生反应器；为反应器供给热量；将反应器内的氨加热到介于550℃和650℃之间，并加热足够长的时间将氨分解为包含氢气、氮气以及残余氨的反应产物；从反应器中移出反应产物；和在尚未输送到反应器的氨和反应产物之间进行热量交换。
65.如权利要求63所述的方法，进一步包括将反应产物通过吸附剂供应装置以除去残余氨，氨在输送到反应器之前也通过吸附剂供应装置，从而在吸附剂供应装置中，反应产物在通过吸附剂供应装置之前与氨进行能量的交换。
全文摘要
一个氢气发生装置采用了由顶板(62)、底板(66)以及放置在顶板和底板之间的反应器核心(64)组成的热催化反应器(60)。反应器核心具有反应表面(64a)和燃烧表面(64b)，每一个表面都具有抬高的边缘，从而限定出相对的底边(61a和61b)以及相对的侧边(63a和63b)。反应表面(64a)和顶板(62)共同形成一个反应室，燃烧表面(64b)和底板(66)共同形成一个燃烧室。反应核心(64)具有第一套间隔放置、基本上从反应表面(64a)直线放射状延伸的大量翅片(76a)，以及第二套间隔放置、基本上从燃烧表面(64b)直线放射状延伸的大量翅片(76b)。第一套翅片(76a)限定出大量的反应通道(71)，第二套翅片(76b)限定出大量与相对侧边(63a和63b)平行的燃烧通道(69)，并且第二套翅片远离相对的底边(61a和61b)。
文档编号C01B3/56GK1507369SQ02809325
公开日2004年6月23日 申请日期2002年3月4日 优先权日2001年3月2日
发明者M·R·鲍威尔, C·J·考尔, M R 鲍威尔, 考尔 申请人:美斯燃料公司