氫生成裝置及設(shè)置有氫生成裝置的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氫生成裝置及其中設(shè)置有氫生成裝置的燃料電池系統(tǒng)，更特別地，涉及在室溫常壓下在氨中有效地生成氫的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]與礦石燃料不同，氫在燃燒時生成水，其并不是溫室氣體發(fā)射體。因而氫氣可視為清潔能源，有利地可在更多不同的應(yīng)用中使用。另一方面，氫很難液化，且容易與金屬反應(yīng)。且，當(dāng)氫與氧混合時，氫很容易觸發(fā)爆炸反應(yīng)。氫的這些性質(zhì)與其在儲存和運(yùn)輸時的困難相關(guān)聯(lián)。氫的這些缺點導(dǎo)致對這種技術(shù)的需求的增加，該類技術(shù)在氫被作為能源使用前，有利地允許作為氫載體的，含有高含量氫的基質(zhì)的儲存，以及氫的提取。
[0003]已知氫載體的例子為氨和碳?xì)浠剂?。專利文件I描述了一種技術(shù)，其中在400攝氏度或更高的溫度下，使用分解劑以及貴金屬催化劑例如Pt、Rh、Pd、或Ru，從氨中生成氫。專利文件2描述了一種技術(shù)，其中在800攝氏度至900攝氏度之間，通過使用鎳/鋁催化劑，由氨氣的分解產(chǎn)生氫。專利文件3描述了一種技術(shù)，其中在540攝氏度至630攝氏度之間，通過使用含有鋁-氧化鋯的催化劑，由氨分解生產(chǎn)氫。
[0004]在被使用的傳統(tǒng)方法中，通過使用不同的催化劑，在400攝氏度或更高的溫度下，氨反應(yīng)生成衍生自氨的氫。然而，這些方法需要昂貴的催化劑以及高溫?zé)嵩吹氖褂茫枰^高的費(fèi)用方能產(chǎn)生氫。這些方法的另一問題是氨的殘余。由于這些常用方法的問題，已尋找出有利的技術(shù)從而以更低的成本，以穩(wěn)定的方式更高效地生成氫。
現(xiàn)有技術(shù)文件專利文件
[0005]專利文件1:日本特開專利申請N0.2003-40602A 專利文件2:日本特開專利申請N0.2005-145748A
專利文件3:日本特開專利申請N0.2012-7129IA

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題
[0006]為了解決這些問題，本發(fā)明具有提供由氨中高效地生成氫的氫生成裝置的目標(biāo)。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供使用高效生成的氫來發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)。
解決技術(shù)問題的方案
[0007]本發(fā)明提供一種用于由氨生成氫的氫生成裝置。根據(jù)本發(fā)明的氫生成裝置包括:等離子反應(yīng)器；放置在等離子反應(yīng)器內(nèi)側(cè)的高壓電極，該高壓電極與高壓脈沖電源連接；與高壓電極相對，放置在等離子反應(yīng)器外側(cè)位置上的接地電極；以及一用于供應(yīng)含氨氣體至等離子反應(yīng)器的氣體供應(yīng)單元。高壓電極包括一氫分離膜。根據(jù)本發(fā)明所示的氫生成裝置中，高壓電極在其自身和接地電極之間通過來自高壓脈沖電源的電力放電，且放電導(dǎo)致由氣體供應(yīng)單元供應(yīng)的氣體中所含的氨轉(zhuǎn)化為等離子體。由此，等離子體中的氫自由基被重新結(jié)合從而生成氫。
[0008]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)放電可在室溫及大氣壓下使得氨轉(zhuǎn)化為等離子體，由此，發(fā)明人獲得了本文所述的發(fā)明。氨等離子體分解為氫自由基以及氮自由基，且氫自由基重新結(jié)合生成氫。另一方面，氫自由基以及氮自由基很可能重新結(jié)合生成一定比例的氨。在根據(jù)本發(fā)明的氫生產(chǎn)裝置中，高壓電極的氫分離膜可迅速分離生成的氫，從而基本消除氨再生成的機(jī)會。因而本裝置可有利地有效提取氫。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的氫生成裝置，優(yōu)選地，等離子反應(yīng)器具有圓柱形的外形，且高壓電極包括一具有圓柱形外形的氫分離膜，且與等離子反應(yīng)器同心放置。這些構(gòu)造的結(jié)果是，根據(jù)本發(fā)明的氫生成裝置具有一形成在等離子反應(yīng)器以及氫分離膜之間的放電空間，以及形成在氫分離膜內(nèi)側(cè)上的內(nèi)腔室。氣體供應(yīng)單元與等離子反應(yīng)器以及氫分離膜之間的放電空間連接，從而向放電空間供應(yīng)含氨氣體。通過由高壓脈沖電源供應(yīng)而來的電力，氫分離膜可用作帶電高壓電極，在氫分離膜以及接地電極之間放電。放電導(dǎo)致在放電空間中的氨轉(zhuǎn)化為等離子體，并由此生成氫。氫分離膜傳輸流經(jīng)的生成氫并引導(dǎo)氫至內(nèi)腔室。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步提供一配備有燃料電池及氫生成裝置的燃料電池系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的氫生成裝置包括一等離子反應(yīng)器、高壓電極、接地電極、氣體供應(yīng)單元以及一氫流通通道。高壓電極包括放置在等離子體反應(yīng)器內(nèi)側(cè)的氫分離膜，并由此形成內(nèi)腔室。氫分離膜與高壓脈沖電源連接。接地電極以與氫分離膜相對的方式，放置在等離子反應(yīng)器外側(cè)的位置上。氣體供應(yīng)單元將含氨氣體供應(yīng)至等離子反應(yīng)器及氫分離膜之間的放電空間。氫流通通道與由氫分離膜形成的內(nèi)腔室連接。根據(jù)本發(fā)明的燃料系統(tǒng)，在高壓電極以及接地電極之間的放電導(dǎo)致在放電空間中由氣體供應(yīng)單元供應(yīng)的氣體中所含的氨轉(zhuǎn)化為等離子體，并由此生成氫。氫分離膜傳輸流經(jīng)的生成氫并引導(dǎo)氫至內(nèi)腔室。經(jīng)由氫流通通道，引導(dǎo)至內(nèi)腔室的氫被供應(yīng)至燃料電池。
[0011]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括一廢氣引導(dǎo)通道，通過該通道，從燃料電池中排出的氫廢氣被引導(dǎo)入等離子反應(yīng)器。氫生成裝置的氫分離膜僅僅允許導(dǎo)入等離子反應(yīng)器中的氫廢氣流經(jīng)傳送，并從而引導(dǎo)氫進(jìn)入內(nèi)腔室。根據(jù)本發(fā)明，氫可被從氫廢氣中分離，并隨后供應(yīng)至燃料電池。因而，系統(tǒng)有利地使得氫廢氣重復(fù)使用。
本發(fā)明的效果
[0012]經(jīng)如上詳細(xì)描述，根據(jù)本發(fā)明的氫生成裝置可連續(xù)地在室溫及常壓(大氣壓)下由氨生成氫。
[0013]通常需要在400°C _500°C之間的溫度通過氫分離膜分離氫。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的等離子反應(yīng)器，可在等離子體的高電子溫度下分離氫。因而，在不從等離子反應(yīng)器的外側(cè)施加400°C _500°C溫度的情況下，氫能夠被分離。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的氫生成裝置并不需要任何昂貴的催化劑以生成氫。與現(xiàn)有技術(shù)相比，這樣的裝置的結(jié)構(gòu)可并不昂貴，且相應(yīng)地可在較低的成本下生產(chǎn)氫。此外，本裝置，其中通過放電使得氨轉(zhuǎn)化為等離子體并由此生成氫，可以相較使用催化反應(yīng)生成氫以更快的速度生成氫。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的氫生成裝置的優(yōu)點在于，通過優(yōu)化應(yīng)用于高壓電極的電壓以及氨的流速，在源材料氨中所包含的氫可以氫氣的形式100%提取。利用該優(yōu)點，本裝置可非常有效地生產(chǎn)氫，并免除氨殘余的額外步驟。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，相較現(xiàn)有技術(shù)，氫供應(yīng)地更有效且更廉價，可以更低的成本生成電力。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，通過使用氫生成裝置再處理燃料電池中生成的氫廢氣，并隨后將由氫廢氣中分離出的氫供應(yīng)回至燃料電池。因而，該系統(tǒng)有利地可使氫廢氣再循環(huán)。
【附圖說明】
[0017]圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的一實施例的氫生成裝置I的結(jié)構(gòu)的垂直剖面示意圖。
圖2是由高壓脈沖電源施加至高壓電極的電壓的波形圖。
圖3是說明當(dāng)氨氣流速為0.6L/min時，具有高壓電極的氫分離膜和不具有高壓電極的氫分離膜的情況下，不同氫產(chǎn)率的圖。
圖4是說明當(dāng)氨氣流速為0.8L/min時，具有高壓電極的氫分離膜和不具有高壓電極的氫分離膜的情況下，不同氫產(chǎn)率的圖。
圖5是根據(jù)實施例的燃料電池系統(tǒng)30的示意性框圖。
【具體實施方式】
[0018]以下將描述本發(fā)明的一優(yōu)選實施例。
1.根據(jù)這一實施例的等離子反應(yīng)器為大氣壓非平衡等離子反應(yīng)器，其中在室溫及大氣壓下，氣態(tài)的氨可轉(zhuǎn)化為大氣壓非平衡等離子體。等離子反應(yīng)器可為圓柱形石英制反應(yīng)器，其特征在于，其墻面作為固體電介質(zhì)部件(絕緣體)，激發(fā)電介質(zhì)阻擋層放電。
2.根據(jù)該實施例的高壓電極包括氫分離膜以及支撐氫分離膜的支撐部件。氫分離膜的例子為鈀合金膜、鋯-鎳(Zr-Ni)基合金膜、釩-鎳(V-Ni)基合金膜、鈮-鎳(NbNi)基合金膜，以及選自由鈮(Nb)、鎳(Ni)、鈷(Co)以及鉬(Mo)組成的集合中的至少一種金屬，以及選自由釩(V)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉭(Ta)以及鉿(Hf)組成的集合中的至少一種金屬制成的合金膜。鈀合金膜是特別優(yōu)選的根據(jù)本發(fā)明的氫分離膜的例子。氫分離膜可為選自以上所述一種金屬制成的單一膜。氫分離膜可為選自以上所述金屬中的兩種金屬的層壓制件。氫分離膜可為選自例如為硅基分離膜、沸石基分離膜、聚酰亞胺分離膜以及聚砜分離膜的非金屬氫分離膜，在這種情況下，支撐這些分離膜的支撐部件為帶有合適地形成于內(nèi)的孔的金屬部件。
3.使用根據(jù)本實施例的氫生成裝置的氫生成方法，包括以一控制合適的流速及比例自氣體供應(yīng)單元供應(yīng)氨氣；基于由氣體供應(yīng)單元供應(yīng)地氨氣的流速及比例，調(diào)整供應(yīng)至高壓電極的，由高壓脈沖電源施加的電壓的頻率；通過激發(fā)高壓電極的氫分離膜以及接地電極間的放電，在等離子反應(yīng)器中生成大氣壓非平衡等離子體；通過氫分離膜傳送由大氣壓非平衡氨等離子體生成的氫氣從而分離氫；以及從氫生成裝置中清除由大氣壓非平衡氨等離子體生成的氮氣。
4.在大氣壓非平衡氨等離子體中生成通過以下反應(yīng)式所示的反應(yīng):
NH3+e — N+H+H2+e (反應(yīng)式 I)
H+H — H2 (反應(yīng)式2)
N+N — N2 (反應(yīng)式3)
N+3H — NH3 (反應(yīng)式 4) 反應(yīng)式I所示是等離子態(tài)中分解的氨的狀態(tài)。反應(yīng)式2所示是由重新結(jié)合的氫自由基(H)生產(chǎn)氫。反應(yīng)式3所示是由重新結(jié)合的氮自由基(N)生成氮。反應(yīng)式4所示是氨的再生成。在沒有氫分離膜的情況下。將不可避免地如反應(yīng)式4所示生成一定比例的氨。根據(jù)本實施例，通過氫分離膜生成的氫被迅速引導(dǎo)至在氫分離膜的內(nèi)側(cè)上的內(nèi)腔室。因而，很難發(fā)生氨的再生成，且在氨中所含的氫最終以氫氣的形式100%提取出。
例子
[0019]以下結(jié)合附圖描述根據(jù)實施例的氫生產(chǎn)裝置以及燃料電池系統(tǒng)的特定例子。
[0020]例子I
結(jié)合附圖1-4，以下描述自氨中生成氫的氫生產(chǎn)裝置以及使用氫生成裝置的氫生產(chǎn)方法。圖1所示為氫生產(chǎn)裝置I，包括等離子反應(yīng)器3、高壓電極5、接地電極7，以及氣體供應(yīng)單元15ο
[0021]等離子反應(yīng)器3是一圓柱形石英制反應(yīng)器。高壓電極5提供在等離子反應(yīng)器3中。高壓電極5包括氫分離膜12以及在其兩端支撐氫分離膜12的盤狀支撐部件13。高壓電極5與高壓脈沖電源2連接，且高壓施加至高壓電極5。根據(jù)本例子，氫分離膜12由鈀合金形成。在等離子反應(yīng)器3以及支撐部件13之間裝配有O-型圈14，從而氫分離膜12與等離子反應(yīng)器3的內(nèi)壁同心放置。這些特征在等離子反應(yīng)器3的內(nèi)壁及氫分離膜12之間形成一放電空間4，沿著其整體長度，提供一均勻的間隔。在氫分離膜12的內(nèi)壁上形成有內(nèi)腔室6。內(nèi)腔室6由氫分離膜12以及支撐部件13環(huán)繞形成一閉合空間。
[0022]等離子反應(yīng)器3的外直徑為45mm，其長度為490mm。等離子反應(yīng)器3的內(nèi)壁以及氫分離膜12之間的間隔為1.5_。
[0023