[发明专利]将液氨分解为氮气和氢气的装置

说明书

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缩氢气的10倍，比液氢(保存在-253℃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12000KJ/KG NH₃，即：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。

附图说明

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；

图2是图1中的第一催化反应器沿A-A向的截面图；

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；

图4是图3中的第二催化反应器沿A-A向的截面图；

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；

图6是图5中的微波导管沿A-A向的截面图；

图7是交叉固定在波导管上的微波发射器的按比例尺缩小的示意图；

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；一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。