专利名称：由贮存在固态材料中的氨生成氢气的设备并且使所述设备与低温燃料电池结合成一体的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过裂化贮存在诸如金属氨基盐的固态存储材料中的氨高能效地生成氢气，并且涉及使用低温燃料电池产生电力。
背景技术：
氨是具有多种用途且被广泛应用的化学品。一种具体用途为作为燃料电池的燃料。如果封存在传统生产工艺期间所产生的二氧化碳或者如果能够使用核能或如风的可再生能源合成氨(见，例如，美国专利No. US 2008/0248353 ;以及Chakraborty等人，FuelCell Bulletin，2009年10月，两者的全部内容均以援引的方式并入本文中)，则氨能够是零 碳燃料。为了有助于作为低温燃料电池的燃料，需要通过使氨经过反应器而使其裂化成氢气和氮气。氨裂化是根据以下反应需要46KJ/mol氨的吸热过程NH3 — I. 5Η2+0. 5Ν2 Δ H298=46KJ/mol NH3已经在WO 2006/113451 A2、美国专利 No. US 6, 936, 363 B2、美国专利 No. US7，267，779 B2 (其所有内容均以援引的方式并入本文中)中提出用于生产氢气，以用于为燃料电池供给燃料的氨裂化器。对于大多数应用而言，并且特别在汽车应用中，以加压液体的形式将氨贮存在容器中是非常危险的。包含添加或吸附在固体中的贮存方法能够避免无水液态氨的安全风险。理想的是尽可能高能效地操作用于生产氢气的氨裂化器。
发明内容
在本发明的第一方面中涉及一种基于氨生成氢气的反应器110，所述基于氨生成氢气的反应器包括-具有氨裂化催化剂的氨裂化室1，-内燃烧室2，所述内燃烧室具有与氨裂化室热接触的燃烧催化剂或氧化催化剂，-氨气预热室3，以及-外护罩环形件6，所述外护罩环形件用于从离开燃烧室2的燃烧产物中回收热量，其中，裂化室I、内燃烧室2、预热室3和回收热量的护罩环形件6按照此顺序同心布置，从而裂化室I形成最靠内的腔室。生成氢气的反应器110还可以包括热换翅片10，所述热换翅片从燃烧室2的表面延伸到裂化室I中；和流量分配孔5，所述流量分配孔能够通过使氨流经流量分配孔5而将氨均匀地供给到裂化室I。在第二方面中，本发明涉及一种用于生成氢气的系统，所述系统包括至少一个贮存单元119、120、400，所述贮存单元容纳能够通过解吸而释放氨并且优选地是金属氨基盐的固态氨贮存材料7，所述固态氨贮存材料在操作时与至少一个根据权利要求I所述的生成氢气的反应器110相组合，其中，当操作时，至少一个生成氢气的反应器110的余热被传递到正在操作的至少一个贮存单元119、120、400。第二方面的第一优选实施例是一种系统，其中，至少一个贮存单元119、120具有中空的同心管道8，所述中空的同心管道部分地或者贯通地延伸通过单元，在运转时，所述至少一个生成氢气的反应器110中的一个插入到所述单元中。在第一优选实施例的系统中，贮存单 元119、120中的固态氨贮存材料7可以用作在高于300°C的温度条件下操作的生成氢气的反应器110和周围环境之间的热绝缘的一部分。此外，在第一优选实施例的系统中，贮存单元120可以在外侧部处具有环形腔室9，所述环形腔室具有流体入口和流体出口，所述流体入口和流体出口作为热交换器，用于提供热量以解吸氨。在第一优选实施例的系统中，如先前段落所述那样任选地进行修改，当所述生成氢气的反应器110插入时，贮存单元119、120可以具有位于生成氢气的反应器110和贮存单元119、120的内壁之间的空间11。生成氢气的反应器110可以在高于300°C的温度条件下操作，在这样的情况下，空间11能够变化或者空间11被能够改变的流体所填充，以便控制生成氢气的反应器110和贮存单元119、120之间的热传递。本发明的第二方面的系统的以上实施例中的任意一个还可以包括启动单元170，所述启动单元协助加热生成氢气的反应器110的燃烧室2 ;和热交换器160，所述热交换器回收形成在燃烧室2中的蒸发蒸气所产生的热量并且混合空气和来自贮存单元119、120的氨，以用于进入燃烧室2。本发明的第二方面的系统的以上实施例中的任意一个的系统可以包括两个模块，所述两个模块各个均包括所述至少一个贮存单元119、120中的一个，所述贮存单元具有中空的同心管道8，所述中空的同心管道部分地或贯通延伸通过单元，当操作时，所述至少一个生成氢气的反应器110插入到所述单元中。在本发明的第二方面的第二优选实施例中，系统包括至少两个贮存单元400 ;和作为独立单元且被很好隔离的一个生成氢气的反应器110，从所述生成氢气的反应器，燃烧室2中所产生的热量能够经由阀供应到位于外部的至少两个贮存单元400或者能够供应给热交换区域，所述热交换区域延伸到贮存单元400中，所述阀将燃烧产物按照顺序引导到至少两个贮存单元400中的正在操作的一个。在本发明的第二方面的第二优选实施例的以上系统中，燃烧产物的热量可以经由热交换器160传送到贮存单元400，所述热交换器将来自燃烧室2的燃烧产物和/或来自裂化室I的裂化产物的热量交换到循环液体，所述循环液体将一部分热量运送到至少两个贮存单元400中的至少一个本发明的第三方面是包括碱性燃料电池151或质子交换膜燃料电池152的发电装置60、70，所述发电装置设置有用于吸收少量氨的吸收体153和第二方面的第一优选实施例的用于生成氢气的系统，在所述系统中，贮存单元119、120中的固态氨贮存材料7用作在高于300°C的温度条件下操作的生成氢气的反应器110和周围环境的热绝缘的一部分，其中，来自所述系统的氢气被供给到碱性燃料电池151或供给到吸收体153，并且在吸收体153吸收少量氨之后，所述氢气被供给到质子交换膜燃料电池152。本发明的第三方面的发电装置还可以包括泵180，当来自贮存单元2中的固态贮存材料7的解吸压力低于克服在氨流动通过发电装置60、70期间所发生的压降所需的压力水平时，所述泵增强氨从贮存单元119、120到生成氢气的反应器110的流动。本发明的其它方面是包括碱性燃料电池151或质子交换膜燃料电池152的发电装置60、70，所述发电装置设置有用于吸收少量氨的至少一个吸收体153 ;和本发明的第二方面的第二优选实施例的用于生成氢气的系统，从所述系统将氢气供给到碱性燃料电池151或吸收体153，并且在至少一个吸收体153吸收少量氨之后，将氢气供给到质子交换膜燃料电池152 ;以及泵180，所述泵在来自贮存单元2中的固态贮存材料7的解吸压力低于
克服在氨流动通过发电装置60、70期间所发生的压降所需的压力水平时增强氨从贮存单元400到生成氢气的反应器110的流动。在又一个方面中，本发明涉及一种用于操作用于生成氢气的系统的方法，所述系统包括至少一个贮存单元119、120、400，所述贮存单元容纳能够通过解吸释放氨并且优选地是金属氨基盐的固态氨贮存材料7，其中，来自生成氢气的反应器(110)的余热被回收并使用以全部或者部分地将解吸来自氨贮存材料7的氨的热量运送到贮存单元2。所述方法还可以包括将燃料电池的燃料电池冷却流体通过管引入到贮存单元2的外护罩并且在与氨贮存材料7进行热交换之后使冷却流体返回。
图I示出了具有本发明的实施例中的反应器的入口和出口的生成氢气的反应器的实施例的示意性简图；图2示出了生成氢气的反应器的实施例的示意性剖视图。箭头示出了在不同腔室中的可能的流向；图3示出了贮存单元的示意性简图，在根据本发明用于生成氢气的系统中，所述贮存单元能够与图I或图2的生成氢气的反应器一起使用；图4示出了具有外环形件的贮存单元的实施例的示意性简图，在根据本发明用于生成氢气的系统中，所述贮存单元能够与图I或图2的生成氢气的反应器一起使用；图5示出了图解了生成氢气的反应器-贮存单元系统的实施例的透视图。所述生成氢气的反应器也作为加热装置并且所述贮存单元也提供了用于隔离生成氢气的反应器的装置；图6示出了用于包括贮存单元和生成氢气的反应器的系统的实施例的流程图；图7示出了用于包括贮存单元和生成氢气的反应器以用于通过碱性燃料电池产生电力的系统的实施例的流程图；图8示出了用于这样系统的实施例的流程图，所述系统包括贮存单元、生成氢气的反应器和净化来自少量氨的裂化产物的吸收体，以用于通过质子交换膜燃料电池产生电力；图9示出了用于这样系统的实施例的流程图，所述系统包括贮存单元、裂化氨的生成氢气的反应器和连续净化来自少量氨的裂化产物的两个吸收体，以用于通过质子交换膜燃料电池产生电力；图10示出了用于这样系统的流程图，所述系统包括贮存单元-生成氢气的反应器系统的两组实施例和两个吸收体，以用于通过质子交换膜燃料电池连续产生电力；图11示出了流程图，所述流程图示意性示出了将来自生成氢气的反应器废气的热量直接传递到一个或多个氨贮存单元；图12示出了流程图，所述流程图示意性示出了将来自生成氢气的反应器废气中的热量经由热承载流体传递到一个或多个氨贮存单元。所述来自生成氢气的反应器废气的热量首先被传递到所述热承载流体，所述热承载流体继而将所述热量传递到所述一个或多个贮存单元。
具体实施例方式在本文中以示例的方式并且仅仅为了说明讨论本发明的实施例而示出了细节，并且是为了提供本发明的原理和概念方面的最有用且易于理解的描述而呈现了所述细节。就这一点而言，没有尝试以比基本理解本发明所需的详细程度更为详细地描述本发明的结构细节，本发明的若干形式如何体现在实践中的连同附图的描述对于本领域中的技术人员是显而易见的。本发明旨在氨裂化器，所述氨裂化器可以以用户友好方式与容纳固态氨贮存材料的单元相互接合；以及通过利用裂化器的余热和燃料电池的余热作为热源来释放贮存材料中的氣来提闻系统的能源效率。
正如开始所提及的那样，氨裂化是根据以下反应需要46KJ/mol氨的吸热过程NH3 — I. 5Η2+0. 5Ν2 Δ H298=46KJ/mol NH3这是平衡控制反应，需要实现接近完全转换高反应温度(550°C至750°C)。因此，需要反应的热量在非常高的温度时被传递，以便实现最大转换。能够通过电加热或通过燃烧诸如氢气的燃料来传送热量。电加热就整体效率而言不仅昂贵，而且其在系统不包含电池的情况下在启动期间不可使用。因此，优选的是，通过燃烧优选地是氨或氢气的适当燃料来供应热量。有效隔离极其高温的工艺总是充满挑战。因此，为了提高能源效率，需要尽可能多地回收燃烧余热，以便向系统中的某些其它工艺提供热量。基于运行效率，燃料电池也可以产生多于40%的余热。对于低温燃料电池(典型地在大约80°C的条件下运行)而言，在相当低的温度(例如，80°C)时产生热量，这被认为是低品位热量。因此，利用低温质子交换膜燃料电池(PEMFCs)，这种热量逐渐耗散在环境中。这种耗散过程自身标志着系统效率的较大损耗，除此之外，耗散过程消耗用于运转风扇或鼓风机的电力。金属氨基盐是氨吸收和解吸(desorb)材料，所述氨吸收和解吸材料能够用作用于氨的固态贮存介质。应用在本发明中的优选的金属氨基盐具有通式Ma (NH3)nXz，其中，M是选自碱性金属(诸如，Li、Na、K或Cs)、碱土金属(诸如，Mg、Ca、Sr或Ba)和/或过渡金属(诸如，V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、或 Zn)或者它们的组合(诸如，NaAl、KAl、K2Zn、CsCU 或 K2Fe)的一个或多个阳离子；X是选自氟化物离子、氯化物离子、溴化物离子、碘化物离子、硝酸盐离子、硫氰酸盐离子、硫酸盐离子、钥酸盐离子和磷酸盐离子的一个或多个阴离子；a是每个盐分子中的阳离子数量是每个盐分子中的阴离子数量；并且η是2至12，优选地是6至8的配位数。能够应用在本发明中的金属氨基盐在其全部内容均以援引方式并入本文中的WO2006/012903 Α2和WO 2006/081824中进行了更加充分地描述。在其全部内容以援引方式并入本文中的US 2008/0248353中，固态金属氨基盐被描述为用于车辆和固定发电系统的理想的“氢载体”，原因在于其高氢含量和所含的安全问题。为此，金属氨基盐是本发明中优选的固态氨贮存材料。从例如金属氨基盐的固态氨贮存材料中脱去气体的工艺需要热量，见WO1999/01205 Al, US 5，161，389和WO 2006/012903 Α2，其全部内容均以援引的方式并入本文中。有不同的方法向贮存材料提供热量能够通过外部加热贮存容器(W0 1999/01205Al)或者将加热元件放置在内部(US，5，161，389和WO 2006/012903 Α2)来传送热量。然而，为了提高系统效率，理想的是，以降低系统耗损的总热量的方式设计裂化器和氨贮存材 料。有趣的是，能够发现这样的金属氨基盐(例如Sr(NH3)8Cl2或Ca (NH3) 8C12)，该金属氨基盐在质子交换膜燃料电池(PCMFCs)的余热所具有的温度范围内释放绝大部分贮存的氨。因此，存在也使用燃料电池余热以进一步提高整个系统的效率的独特机会。因此，本发明涉及对氨进行高能效裂化，以便使用被贮存为固态氨贮存材料(优选地为金属氨基盐)的氨来生产氢气，并且涉及使该系统与低温燃料电池(例如质子交换膜燃料电池或碱性燃料电池)结成一整体，以用于高效发电。在本发明的第一方面中涉及一种基于氨生成氢气的反应器(在此后也称作“氨裂化器”或“护罩-裂化器”或简称为“裂化器”)，所述基于氨生成氢气的反应器包括用于氨和/或来自燃料电池阳极的废气的燃烧室、裂化室、氨预热室和燃烧气体热量回收室。裂化器的所有这四个腔室均与位于中部的燃烧室同心。裂化室包围燃烧室。裂化器还可以包括多个轴向连接的金属片，以用于更好地将来自燃烧器的热量耗散到裂化导管。氨在预热室的一个端部处进入，并且在行进通过预热室的长度之后常常通过位于裂化室端盖中的多个进入孔进入裂化室。燃烧室可以延伸通过裂化室的端盖，以便引导燃烧废气通过护罩。裂化室容纳氨裂化催化剂并且燃烧室容纳能够燃烧氨气或氢气的燃烧催化剂。在另一方面中，本发明涉及一种用于生成氢气的系统，所述系统包括至少一个贮存单元119、120、400，所述贮存单元容纳能够通过解吸而释放氨的固态氨贮存材料7 (优选为金属氨基盐)，在操作中，该系统与第一方面的生成氢气的反应器110相组合，其中，在操作中，回收自生成氢气的反应器HO的燃烧室2的氢气的燃烧产物的热量的热能被传递到正在操作的至少一个贮存单元119、120、400。在优选的实施例中，用于生成氢气的系统可以包括贮存单元(筒)，所述贮存单元容纳例如金属氨基盐，当系统操作时，护罩-裂化器可以塞入到贮存单元中，并且护罩-裂化器塞入到所述贮存单元中或者与所述贮存单元相接合。筒的中部中的中空同心管道可以延伸贯通筒或者可以仅仅从一个端部或一个侧部延伸到筒中而没有贯通所述筒。
筒可以包含中空腔室，例如以如下的护罩形式，所述护罩全部或部分覆盖筒的外表面，以用于从燃料电池冷却流体中回收热量。能够如以下所提及的那样建立氨和来自燃料电池的冷却流体的流体界面。由贮存单元释放的氨可以通过管供应到裂化器，所述管经由如快速连接或类似的接合来联接裂化器和贮存单元，以便易于更换贮存单元。本发明还涉及一种用于从护罩-裂化器回收热量并且使用所述热量全部或部分地传送解吸氨的热量的方法。用于贮存氨的盐具有非常低的导热系数(可与Mieotherm'R'客微孔高温绝缘材料相比，大约为10_2W/mK)。利用盐的这种性质，将盐层用作在非常高的温度下工作的裂化器的绝缘体。用于实施所述方法的装置在容器中包括圆柱形或类似的三维形状的金属氨基盐块，所述容器具有中空的同心管道，所述中空的同心管道延伸贯通容器。中空管道的直径至少足够宽，以接纳裂化器。
所述方法还可以包括通过管将释放自贮存单元的氨引入到裂化器，所述管经由快速连接接合部或类似的接合部联接裂化器和贮存单元，以便易于更换贮存单元。本发明还涉及一种用于回收护罩-裂化器损耗的热量以及使用所述热量经由包围贮存容器的外表面的环形空间全部或部分传送解吸来自氨贮存材料的氨的热量，以用于从燃料电池冷却剂中回收余热。所述方法还可以包括通过管将燃料电池冷却流体引入到贮存单元的外护罩，所述管可以经由快速连接连接到外护罩，并且在与贮存材料进行热交换(例如通过管)之后使冷却液返回。实施例的描述在下文中，将详细描述护罩-裂化器和贮存单元以及它们在基于固态氨的发电系统中的应用。图I是护罩-裂化器110的不意图。氨和/或氢气(图I中未不出)与空气相混合并且混合气体进入燃烧室2，所述燃烧室连接到燃烧排气装置，如图I所示。氢气能够来自燃料电池阳极的尾气。用于裂化的氨通过预热室3进入反应器110。图2示出氨流量分配孔5，通过所述氨流量分配孔，经过预热的氨进入到裂化室I中。同样示出的是热换翅片10，所述热换翅片附接到燃烧室2的外壁并且延伸到裂化室I中，以便更好地进行热量分配，以用于氨的吸热裂化。燃烧室2的废气在通过一个或多个出口离开护罩-裂化器110之前通过最靠外的环形件6。裂化室废气通过一个或多个出口离开裂化室1，所述裂化室废气是基于护罩-裂化器的操作位置而具有不同浓度的H2、N2和NH3的混合物。护罩-裂化器的所有进口和出口皆位于护罩-裂化器的同一端部处，从而确保逆流气体在每个腔室中流动。燃烧室能够容纳任何氨燃烧催化剂或氧化催化剂，例如在Johnson Matthey的3mm片粒状氧化招上的O. 5%的钼。裂化室能够容纳任何氨裂化催化齐U，例如在能商业获得的Johnson Matthey的3mm片粒状氧化招上的2%的钌。现在描述氨贮存单元119、120。如图3所示，贮存单元119包括圆筒，所述圆筒具有贯通单元的中空同心管道8。8的直径足够大，以便插入护罩-裂化器110。在空间7中包含金属氨基盐的氨包围管道8。在图4中示出了类似的容器120，其中不同之处在于所述容器具有环形空间9，所述环形空间包围容纳金属氨基盐7的主贮存室。
图5示出了裂化器如何能够与贮存单元119或120相接合。能够调整裂化器110和贮存单元119、120的内壁之间的空间或间隙11，以便控制从裂化器到贮存单元的热传递并且进而控制或影响氨的解吸率。绝缘或传导材料还能够用于填充空间，以便相应地减少或增加从裂化器到贮存单元的热传递。图6示出了示例性的基于固态氨生成氢气的移动设备50，所述设备包括氨贮存单元120、裂化器110、热交换器160、启动单元170、真空泵180、和电池(未示出)。裂化器110塞入到贮存单元120中。仅仅在最初几分钟期间需要启动单元170，以便使得燃烧室2准备好燃烧氨。据我们所知，不存在在室温条件下燃烧氨的催化剂，所以需要加热裂化器110的燃烧室2中的催化剂床，以用于燃烧氨。启动单元170包括插入到被氨裂化催化剂所填充的催化剂床中的加热棒。被供给氨时，该单元产生H2、N2和NH3的混合 物，所述混合物通过管260进行运送并且与通过管220引入的空气相混合。空气泵(未示出)能够用于运送空气。在启动期间，真空泵180在温度没有达到一水平时从贮存单元120吸出氨，在所述水平处，已经达到在大气压之上的适当的解吸压力。然后迫使混合物通过热交换器160进入到裂化器110的燃烧室2，在所述热交换器处，所述混合物通过与通过管230流到热交换器160的燃烧器废气进行热交换而被预热。热交换器160主要用于将离开燃烧室2的蒸气(水蒸气)的蒸发热量传递到进入的燃料/空气混合物。热交换器160的管道也用作用于空气和燃烧燃料的混合室。燃烧废气通过管297离开热交换器160。一旦燃烧室2准备好燃烧氨，则通过管210接通来自贮存单元120的氨流，以便与空气混合，并且然后通过热交换器160到达燃烧室2。裂化器110中的裂化室I被加热到裂化所需的温度，所述裂化室与燃烧室2热接触。根据所需的H2纯度(根据逃逸氨(slip ammonia)浓度),能够选择温度,但是通常所述温度介于300°C至700°C之间。用于裂化的氨通过管200进入裂化室I。一旦加热裂化室110，则将余热传递到位于周围的贮存单元120，以便提供用于解吸氨的热量。裂化产物(H2、N2和NH3的混合物)通过输出管240离开裂化器110。如果需要N2和没有氨的纯H2,则能够可选地将钯膜装配到排气管路中。在本发明的另一个实施例中，使用了具有碱性燃料电池151的发电机60。图7示出的设备60使用了与图6中示出的相同的生成氢气的系统50。为了利用燃料电池151的余热，燃料电池组冷却流体经由管270通过贮存单元120的外腔室9，以用于将热量交换到贮存材料7。贮存单元120的出口在冷却剂需要排出更多热量的情况下能够经由管280通过散热器，或者经由管290绕过散热器直接到达燃料电池。包含未转化氢气的燃料电池阳极的尾气能够经由管300传送到裂化器110的燃烧室2，以便燃烧流中的氢气。本发明的另一个实施例是具有质子交换膜(PEM)燃料电池152的发电机70，现在将解释所述发电机。图8示出了设备70并且所述设备与图7描述的设备相似，其中，不同之处在于管路240中的来自裂化器110的废气在被供给到质子交换膜燃料电池152的阳极侧部之前通过少量氨吸收体153。需要这样做的原因在于如果在阳极供给物中存几个ppm的氨，则质子交换膜燃料电池152的性能具有不可逆的退化倾向。吸收体153能够是被吸收材料填充的圆筒形管。由酸(例如硫酸(H2SO4))处理的活性碳作为氨的良好吸收材料。某些金属离子交换的Y型沸石也能够用作吸收材料。吸收体能够在气流作用下通过加热所述吸收体而现场再生或者能够与贮存单元120 —起被更换。如图9所示，也能够使用并行的至少两个吸收体153，以避免在吸收材料饱和时使发电机70停止运转。使用多于一个的吸收体153的目的是使得吸收处理连续运转至少一个吸收体153将处于运转模式，而另一个吸收体将处于再生模式。如果吸收体153容纳作为吸收剂的铜离子交换的Y型沸石时，则在空气通过床的同时，通过将床加热到200°C便能够完成现场再生。这种热量能够由系统中的能量的热源中的一个(如，燃烧产气)来提供。本发明的又一个实施例是连续的氢气生成器，现在描述所述连续的氢气生成器。图10示出的实施例包括具有嵌入的裂化器单元I (示出为单元I和单元2)的两个贮存单元120、两个热交换器160、和启动单元(SU) 170。在启动期间，能够将氨从单元I的贮存容器119、120泵送到热启动单元。来自启动单元170的生成的气体(通常为35°/出2和11%N2以及其余的NH3)与空气混合并且通过热交换器160到达单元I的燃烧室2。在热交换器160中，来自燃烧室2中的废气与进入到燃烧室2中的输入气体进行热交换。一旦燃烧室2准备好燃烧氨，并且在混合室(图10中称作混合室2)中与通过热交换器160 (HEl)中的一个的空气混合之后，流动通过启动单元的氨流便停止流动。当裂化器110的温度高到足以裂化时，通过打开比例阀PV2将氨供给到裂化器110，并且从裂化室110带出裂化产物。当单元I中的贮存单元2接近耗尽时，所产生的一部分氢气能够通过比例阀PVl转向到混合室 1，以便与空气相混合。当单元2中的裂化器110准备好燃烧氨时，来自混合室2的一部分氨-空气混合物经由热交换器160 (HE2)中的一个传递到单元2的燃烧室2。在单元I中的贮存单元2耗尽的时候，单元2中的第二裂化器110准备好裂化氨。当单元2中的贮存单元2运行时，能够用充满的一个更换单元I中的贮存单元2，并且当单元2中的贮存单元 2耗尽时可以重复同一循环。在图10中，在操作期间，单元I和单元2中的每一个贮存单元模块2均具有插入的裂化器110。然而，如图11所示，也能够布置成护罩-裂化器110是独立单元，所述独立单元例如被具有辐射屏蔽的真空型绝缘件很好地隔离，并且废气的热量提供了热能，以便传递到操作中的氨贮存单元或筒400。通过热交换区域能够完成这种热传递，所述热交换区域以与插入裂化器110的类似方式延伸到贮存单元中。可以设想的是，类似于关于结合用于燃料电池冷却流体的外部热交换器所提及的那样，来自护罩-裂化器110的热产出气能够供应到位于外部的一个或多个贮存单元400。在图11中也示出了这样的一个实施例。燃烧室废气在与燃烧室供给物进行热交换之后被传递，以便向氨贮存筒400提供解吸热量。根据工艺要求，存在一个或多个贮存筒400，所述贮存筒吸收来自燃烧室排气装置的热量。由于在护罩-裂化器110中燃烧气体需要在非常高的温度条件下(例如，不低于300°C，但可以更高)沿着裂化室I的整个长度传递热量的要求，在燃烧室2中产生的热量多于在裂化室I中氨裂化反应所消耗的热量。这确保了在燃烧废气中存在可获得的大量可回收热量。然而，燃烧室废气必须高于50°C，以用于有效地与贮存筒400进行热交换，以便进行氨解吸。这能够通过这样的方法得到保证，所述方法包括但不局限于改变供给到燃烧室2的供给物、改变燃烧裂化率，以及改变用于将来自燃烧废气的热量传递到燃烧供给物的热交换器160的尺寸。在所述实施例中，虽然若干忙存单兀400是完整的生成氢气或发电系统60、70的一部分，但是在系统中不得不仅仅实施了一个裂化器110。也可以设想的是，来自护罩-裂化器110的产出气将热量交换到热量载体流体，所述热量载体流体将热量输送到热贮存单元400以用于解吸氨。图12示出了这样的一个实施例。裂化器110中的废气中的任意一种或两种将热量传递到例如硅树脂油的循环流体，所述循环流体进而将一部分热量传递到一个或多个氨贮存单元400。热承载流体能够首先与燃烧室废气进行热交换，并且然后与裂化器室废气进行热交换。在与燃烧室废气进行热量交换之后，一部分或全部流能够继续交换来自裂化室废气的热量。从护罩-裂化器废气中回收热量也能够以相反的顺序发生，即，首先来自裂化室废气，然后来自燃烧室废气。系统能够如以上段落所提及的那样与燃料电池组结合成一整体，以用于发电操作。
在本说明书中所引用的所有文献，诸如专利、专利申请和期刊论文全部内容均以援引的方式并入本文中。应当注意的是，已经提供的前述实施例仅仅是为了解释的目的，并且不应被解释为限制本发明。尽管已经参考示例性实施例解释了本发明，但是应当理解的是，在本文中所用的语句是描述和解释性语句，而非限制性语句。在不在各方面悖离本发明的范围和精神的前提下，在所附权利要求的范围内可以做出改变，如当前所陈述的和修改的。尽管在本文中已经参照具体装置、材料和实施例描述了本发明，但是本发明并不旨在局限于在本文中所公开的具体事例；相反，本发明延伸至所有诸如所附权利要求范围内的功能等效结构、方法和用法。
权利要求
1.一种基于氨生成氢气的反应器(110),所述基于氨生成氢气的反应器包括 -氨裂化室(I )，所述氨裂化室具有氨裂化催化剂； -内燃烧室(2)，所述内燃烧室具有与所述氨裂化室热接触的燃烧催化剂或氧化催化剂； -氨气预热室(3);以及 -外护罩环形件(6)，所述外护罩环形件用于从离开所述燃烧室(2)的燃烧产物中回收热量， 其中，所述裂化室(I)、所述内燃烧室(2)、所述预热室(3)和回收热量的所述外护罩环形件(6)按照此顺序同心布置，所述裂化室(I)形成最靠内的腔室。
2.根据权利要求I所述的生成氢气的反应器(110)，所述反应器还包括换热翅片(10)，所述换热翅片从所述燃烧室(2)的表面延伸到所述裂化室(I)中；和流量分配孔(5)，所述流量分配孔使得能够通过使氨流经所述流量分配孔(5 )而将氨均匀地供给到所述裂化室(I)。
3.一种用于生成氢气的系统，所述系统包括至少一个贮存单元(119，120，400)，所述贮存单元容纳有能够通过解吸而释放氨的固态氨贮存材料(7)，所述固态氨贮存材料优选地为金属氨基盐，所述固态氨贮存材料在操作时与至少一个根据权利要求I所述的生成氢气的反应器(110)相组合，其中，在操作时，至少一个生成氢气的反应器(110)的余热被传递到正在操作的至少一个贮存单元(119，120，400)。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个贮存单元(119，120)具有中空的同心管道(8)，所述中空的同心管道部分地或贯通地延伸通过所述单元，在操作时，至少一个所述生成氢气的反应器(110 )中的一个被插入到所述单元中。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，一个或多个贮存单元(119，120)中的所述固态氨贮存材料(7)用作在高于300°C的温度条件下操作的所述生成氢气的反应器(110)和环境之间的热绝缘的一部分。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其中，所述一个或多个贮存单元(120)在外侧处具有环形腔室(9)，所述环形腔室具有流体入口和流体出口，所述流体入口和流体出口用作热交换器，用于提供热量以解吸氨。
7.根据权利要求4至6中任意一项所述的系统，其中，当所述生成氢气的反应器(110)被插入时，所述一个或多个贮存单元(119，120)具有位于所述生成氢气的反应器(110)和所述贮存单元(119，120 )的内壁之间的空间(11)。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述生成氢气的反应器(110)在高于300°C的温度条件下被操作，其中，所述空间(11)能够改变或者所述空间(11)由能够改变的流体填充，以便控制所述生成氢气的反应器(110)和所述贮存单元(119，120)之间的热传递。
9.根据权利要求4至8中任意一项所述的系统，所述系统还包括启动单元(170)，所述启动单元协助加热所述生成氢气的反应器(110)的所述燃烧室(2);和热交换器(160)，所述热交换器回收形成在所述燃烧室(2)中的蒸气的蒸发热量并且混合空气和来自所述贮存单元(119，120)的氨以进入到所述燃烧室(2)中。
10.根据权利要求4至9中任意一项所述的系统，所述系统包括两个模块，每个所述模块均包括所述至少一个贮存单元(119，120)中的一个，所述贮存单元具有中空的同心管道(8)，所述中空的同心管道部分地或贯通地延伸通过所述单元，在操作时，所述至少一个生成氢气的反应器(I 10)中的一个被插入在所述单元中。
11.根据权利要求3所述的系统，所述系统包括至少两个贮存单元(400);作为独立单元的一个的被很好地隔离的生成氢气的反应器(110 )，和作为独立单元的一个的被很好地隔离的生成氢气的反应器(110)，能够从所述生成氢气的反应器将生成在所述燃烧室(2)中的热量经由阀供应到位于外部的至少两个贮存单元(400)，或者能够供应到热交换区域，所述热交换区域延伸到所述贮存单元(400)中，所述阀将燃烧产物按照顺序引导到所述至少两个贮存单元(400)中的正在操作的一个。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述燃烧产物的热量经由热交换器(160)传送到所述贮存单元(400)，所述热交换器将来自所述燃烧室(2)的燃烧产物和/或来自所述裂化室(I)的裂化产物的热量交换到循环液体，所述循环液体将一部分热量传送到所述至少两个贮存单元(400)中的至少一个。
13.—种发电装置(60，70 )，所述发电装置包括碱性燃料电池(151)或质子交换膜燃料电池(152)，所述发电装置设置有用于吸收少量氨的吸收体(153)和根据权利要求4所述的生成氢气的系统，从所述系统，氢气被供给到所述碱性燃料电池(151)或供给到所述吸收体(153)，并且在所述吸收体(153)吸收少量氨之后，所述氢气被供给到所述质子交换膜燃料电池(152)。
14.根据权利要求13所述的发电装置，所述发电装置还包括泵(180)，在所述贮存单元(2)中的所述固态贮存材料(7)的解吸压力低于克服在氨流经所述发电装置(60，70)期间所产生的压降所需的压力水平时，所述泵增强氨从所述贮存单元(119，120)到所述生成氢气的反应器(110)的流动。
15.一种发电装置(60，70)，所述发电装置包括碱性燃料电池(151)或质子交换膜燃料电池(152)，所述发电装置设置有用于吸收少量氨的至少一个吸收体(153);根据权利要求11或12所述的生成氢气的系统，从所述系统，氢气被供给到所述碱性燃料电池(151)或供给到所述至少一个吸收体(153)，并且在少量氨被吸收在所述至少一个吸收体(153)中之后，所述氢气被供给到所述质子交换膜燃料电池(152);和泵(180)，在所述贮存单元(2)中的所述固态贮存材料(7)的解吸压力低于克服在氨流经所述发电装置(60，70)期间产生的压降所需的压力水平时，所述泵增强氨从一个或多个贮存单元(400)到所述生成氢气的反应器(I 10)的流动。
16.一种操作生成氢气的系统的方法，所述系统包括至少一个贮存单元(119，120，400)，所述贮存单元容纳有固态氨贮存材料(7)，所述固态氨贮存材料能够通过解吸而释放氨，所述固态氨贮存材料优选地是金属氨基盐，其中，所述生成氢气的反应器(110)的余热被回收并使用以全部或部分地将解吸来自于所述氨贮存材料(7)的氨的热量传送到所述贮存单元(2)。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括通过管将燃料电池的燃料电池冷却流体引入到所述贮存单元(2)的外护罩，并且在与所述氨贮存材料(7)进行热交换之后使所述冷却流体返回。
全文摘要
一种基于氨生成氢气的反应器(110)，所述反应器包括氨裂化室(1)，所述氨裂化室具有氨裂化催化剂；内燃烧室(2)，所述内燃烧室具有与氨裂化室热接触的燃烧催化剂或氧化催化剂；氨气预热室(3)；外护罩环形件(6)，所述外护罩环形件用于回收离开燃烧室(2)的燃烧产物中的热量，其中裂化室(1)、内燃烧室(2)、预热室(3)和回收热量的护罩环形件(6)同心布置。其它公开内容为用于生成氢气的系统，所述系统包括至少一个氨贮存单元(119，120，400)，在操作时，所述氨贮存单元与至少一个生成氢气的反应器(110)相组合，其中，在操作时，至少一个生成氢气的反应器(110)的余热被传递到正在操作的至少一个贮存单元(119，120，400)。发电装置还包括燃料电池，并且也描述了用于操作用于生成氢气的系统的方法。
文档编号H01M8/06GK102782921SQ201180011673
公开日2012年11月14日 申请日期2011年3月2日 优先权日2010年3月2日
发明者D·查尔克拉博蒂, H·N·彼得森, T·约翰内森 申请人:氨合物公司