氢生成装置及设置有氢生成装置的燃料电池系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及氢生成装置及其中设置有氢生成装置的燃料电池系统，更特别地，涉及在室温常压下在氨中有效地生成氢的装置。
【背景技术】
[0002]与矿石燃料不同，氢在燃烧时生成水，其并不是温室气体发射体。因而氢气可视为清洁能源，有利地可在更多不同的应用中使用。另一方面，氢很难液化，且容易与金属反应。且，当氢与氧混合时，氢很容易触发爆炸反应。氢的这些性质与其在储存和运输时的困难相关联。氢的这些缺点导致对这种技术的需求的增加，该类技术在氢被作为能源使用前，有利地允许作为氢载体的，含有高含量氢的基质的储存，以及氢的提取。
[0003]已知氢载体的例子为氨和碳氢基燃料。专利文件I描述了一种技术，其中在400摄氏度或更高的温度下，使用分解剂以及贵金属催化剂例如Pt、Rh、Pd、或Ru，从氨中生成氢。专利文件2描述了一种技术，其中在800摄氏度至900摄氏度之间，通过使用镍/铝催化剂，由氨气的分解产生氢。专利文件3描述了一种技术，其中在540摄氏度至630摄氏度之间，通过使用含有铝-氧化锆的催化剂，由氨分解生产氢。
[0004]在被使用的传统方法中，通过使用不同的催化剂，在400摄氏度或更高的温度下，氨反应生成衍生自氨的氢。然而，这些方法需要昂贵的催化剂以及高温热源的使用，需要较高的费用方能产生氢。这些方法的另一问题是氨的残余。由于这些常用方法的问题，已寻找出有利的技术从而以更低的成本，以稳定的方式更高效地生成氢。
现有技术文件专利文件
[0005]专利文件1:日本特开专利申请N0.2003-40602A 专利文件2:日本特开专利申请N0.2005-145748A
专利文件3:日本特开专利申请N0.2012-7129IA
【发明内容】
本发明所解决的技术问题
[0006]为了解决这些问题，本发明具有提供由氨中高效地生成氢的氢生成装置的目标。本发明的另一目标是提供使用高效生成的氢来发电的燃料电池系统。
解决技术问题的方案
[0007]本发明提供一种用于由氨生成氢的氢生成装置。根据本发明的氢生成装置包括:等离子反应器；放置在等离子反应器内侧的高压电极，该高压电极与高压脉冲电源连接；与高压电极相对，放置在等离子反应器外侧位置上的接地电极；以及一用于供应含氨气体至等离子反应器的气体供应单元。高压电极包括一氢分离膜。根据本发明所示的氢生成装置中，高压电极在其自身和接地电极之间通过来自高压脉冲电源的电力放电，且放电导致由气体供应单元供应的气体中所含的氨转化为等离子体。由此，等离子体中的氢自由基被重新结合从而生成氢。
[0008]发明人发现放电可在室温及大气压下使得氨转化为等离子体，由此，发明人获得了本文所述的发明。氨等离子体分解为氢自由基以及氮自由基，且氢自由基重新结合生成氢。另一方面，氢自由基以及氮自由基很可能重新结合生成一定比例的氨。在根据本发明的氢生产装置中，高压电极的氢分离膜可迅速分离生成的氢，从而基本消除氨再生成的机会。因而本装置可有利地有效提取氢。
[0009]根据本发明的氢生成装置，优选地，等离子反应器具有圆柱形的外形，且高压电极包括一具有圆柱形外形的氢分离膜，且与等离子反应器同心放置。这些构造的结果是，根据本发明的氢生成装置具有一形成在等离子反应器以及氢分离膜之间的放电空间，以及形成在氢分离膜内侧上的内腔室。气体供应单元与等离子反应器以及氢分离膜之间的放电空间连接，从而向放电空间供应含氨气体。通过由高压脉冲电源供应而来的电力，氢分离膜可用作带电高压电极，在氢分离膜以及接地电极之间放电。放电导致在放电空间中的氨转化为等离子体，并由此生成氢。氢分离膜传输流经的生成氢并引导氢至内腔室。
[0010]本发明进一步提供一配备有燃料电池及氢生成装置的燃料电池系统。根据本发明的燃料电池系统的氢生成装置包括一等离子反应器、高压电极、接地电极、气体供应单元以及一氢流通通道。高压电极包括放置在等离子体反应器内侧的氢分离膜，并由此形成内腔室。氢分离膜与高压脉冲电源连接。接地电极以与氢分离膜相对的方式，放置在等离子反应器外侧的位置上。气体供应单元将含氨气体供应至等离子反应器及氢分离膜之间的放电空间。氢流通通道与由氢分离膜形成的内腔室连接。根据本发明的燃料系统，在高压电极以及接地电极之间的放电导致在放电空间中由气体供应单元供应的气体中所含的氨转化为等离子体，并由此生成氢。氢分离膜传输流经的生成氢并引导氢至内腔室。经由氢流通通道，引导至内腔室的氢被供应至燃料电池。
[0011]优选地，根据本发明的燃料电池系统包括一废气引导通道，通过该通道，从燃料电池中排出的氢废气被引导入等离子反应器。氢生成装置的氢分离膜仅仅允许导入等离子反应器中的氢废气流经传送，并从而引导氢进入内腔室。根据本发明，氢可被从氢废气中分离，并随后供应至燃料电池。因而，系统有利地使得氢废气重复使用。
本发明的效果
[0012]经如上详细描述，根据本发明的氢生成装置可连续地在室温及常压(大气压)下由氨生成氢。
[0013]通常需要在400°C _500°C之间的温度通过氢分离膜分离氢。另一方面，根据本发明的等离子反应器，可在等离子体的高电子温度下分离氢。因而，在不从等离子反应器的外侧施加400°C _500°C温度的情况下，氢能够被分离。
[0014]根据本发明的氢生成装置并不需要任何昂贵的催化剂以生成氢。与现有技术相比，这样的装置的结构可并不昂贵，且相应地可在较低的成本下生产氢。此外，本装置，其中通过放电使得氨转化为等离子体并由此生成氢，可以相较使用催化反应生成氢以更快的速度生成氢。
[0015]根据本发明的氢生成装置的优点在于，通过优化应用于高压电极的电压以及氨的流速，在源材料氨中所包含的氢可以氢气的形式100%提取。利用该优点，本装置可非常有效地生产氢，并免除氨残余的额外步骤。
[0016]根据本发明的燃料电池系统，相较现有技术，氢供应地更有效且更廉价，可以更低的成本生成电力。根据本发明的燃料电池系统，通过使用氢生成装置再处理燃料电池中生成的氢废气，并随后将由氢废气中分离出的氢供应回至燃料电池。因而，该系统有利地可使氢废气再循环。
【附图说明】
[0017]图1是说明根据本发明的一实施例的氢生成装置I的结构的垂直剖面示意图。
图2是由高压脉冲电源施加至高压电极的电压的波形图。
图3是说明当氨气流速为0.6L/min时，具有高压电极的氢分离膜和不具有高压电极的氢分离膜的情况下，不同氢产率的图。
图4是说明当氨气流速为0.8L/min时，具有高压电极的氢分离膜和不具有高压电极的氢分离膜的情况下，不同氢产率的图。
图5是根据实施例的燃料电池系统30的示意性框图。
【具体实施方式】
[0018]以下将描述本发明的一优选实施例。
1.根据这一实施例的等离子反应器为大气压非平衡等离子反应器，其中在室温及大气压下，气态的氨可转化为大气压非平衡等离子体。等离子反应器可为圆柱形石英制反应器，其特征在于，其墙面作为固体电介质部件(绝缘体)，激发电介质阻挡层放电。
2.根据该实施例的高压电极包括氢分离膜以及支撑氢分离膜的支撑部件。氢分离膜的例子为钯合金膜、锆-镍(Zr-Ni)基合金膜、钒-镍(V-Ni)基合金膜、铌-镍(NbNi)基合金膜，以及选自由铌(Nb)、镍(Ni)、钴(Co)以及钼(Mo)组成的集合中的至少一种金属，以及选自由钒(V)、钛(Ti)、锆(Zr)、钽(Ta)以及铪(Hf)组成的集合中的至少一种金属制成的合金膜。钯合金膜是特别优选的根据本发明的氢分离膜的例子。氢分离膜可为选自以上所述一种金属制成的单一膜。氢分离膜可为选自以上所述金属中的两种金属的层压制件。氢分离膜可为选自例如为硅基分离膜、沸石基分离膜、聚酰亚胺分离膜以及聚砜分离膜的非金属氢分离膜，在这种情况下，支撑这些分离膜的支撑部件为带有合适地形成于内的孔的金属部件。
3.使用根据本实施例的氢生成装置的氢生成方法，包括以一控制合适的流速及比例自气体供应单元供应氨气；基于由气体供应单元供应地氨气的流速及比例，调整供应至高压电极的，由高压脉冲电源施加的电压的频率；通过激发高压电极的氢分离膜以及接地电极间的放电，在等离子反应器中生成大气压非平衡等离子体；通过氢分离膜传送由大气压非平衡氨等离子体生成的氢气从而分离氢；以及从氢生成装置中清除由大气压非平衡氨等离子体生成的氮气。
4.在大气压非平衡氨等离子体中生成通过以下反应式所示的反应:
NH3+e — N+H+H2+e (反应式 I)
H+H — H2 (反应式2)
N+N — N2 (反应式3)
N+3H — NH3 (反应式 4) 反应式I所示是等离子态中分解的氨的状态。反应式2所示是由重新结合的氢自由基(H)生产氢。反应式3所示是由重新结合的氮自由基(N)生成氮。反应式4所示是氨的再生成。在没有氢分离膜的情况下。将不可避免地如反应式4所示生成一定比例的氨。根据本实施例，通过氢分离膜生成的氢被迅速引导至在氢分离膜的内侧上的内腔室。因而，很难发生氨的再生成，且在氨中所含的氢最终以氢气的形式100%提取出。
例子
[0019]以下结合附图描述根据实施例的氢生产装置以及燃料电池系统的特定例子。
[0020]例子I
结合附图1-4，以下描述自氨中生成氢的氢生产装置以及使用氢生成装置的氢生产方法。图1所示为氢生产装置I，包括等离子反应器3、高压电极5、接地电极7，以及气体供应单元15ο
[0021]等离子反应器3是一圆柱形石英制反应器。高压电极5提供在等离子反应器3中。高压电极5包括氢分离膜12以及在其两端支撑氢分离膜12的盘状支撑部件13。高压电极5与高压脉冲电源2连接，且高压施加至高压电极5。根据本例子，氢分离膜12由钯合金形成。在等离子反应器3以及支撑部件13之间装配有O-型圈14，从而氢分离膜12与等离子反应器3的内壁同心放置。这些特征在等离子反应器3的内壁及氢分离膜12之间形成一放电空间4，沿着其整体长度，提供一均匀的间隔。在氢分离膜12的内壁上形成有内腔室6。内腔室6由氢分离膜12以及支撑部件13环绕形成一闭合空间。
[0022]等离子反应器3的外直径为45mm，其长度为490mm。等离子反应器3的内壁以及氢分离膜12之间的间隔为1.5_。
[0023