CN112996747A - 氢气制造装置 - Google Patents

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Abstract

氢气制造装置(1)具备：加热液态氨以产生氨气的气化器(5)；通过使燃料气体燃烧来对由气化器(5)产生的氨气进行加热以分解为氮气和氢气的主热解器(6)；将包含由主热解器(6)分解产生的氮气和氢气的分解产物气体冷却的冷却器(7)；以及从冷却后的分解产物气体中分离出氢气的分离器(8)。

Description

氢气制造装置
技术领域
本发明涉及氢气制造装置。
背景技术
近年来，从防止地球变暖等环境保护的观点出发，使用作为可再生燃料的氢来发电的燃料电池受到关注。作为成为燃料电池的燃料的氢气的制造方法，专利文献1公开了通过使液态氨与金属氢化物反应来制造氢气的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-265138号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述常规的氢气制造方法中，由于需要使用昂贵的金属氢化物，因而具有无法廉价地制造氢气的问题。
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供可廉价地制造氢气的氢气制造装置。
用于解决问题的手段
本发明的氢气制造装置具备：加热液态氨以产生氨气的气化器；通过使燃料气体燃烧来对由上述气化器产生的氨气进行加热以分解为氮气和氢气的主热解器；将包含由上述主热解器分解产生的氮气和氢气的第1分解产物气体冷却的冷却器；以及从冷却后的上述第1分解产物气体中分离出氢气的分离器。
根据该氢气制造装置，通过气化器加热液态氨以产生氨气，在主热解器中通过使燃料气体燃烧以加热氨气并将其分解为氮气和氢气。然后，在采用冷却器将包含分解产生的氮气和氢气的第1分解产物气体冷却之后，通过分离器从第1分解产物气体中分离出氢气。由此，可以由液态氨制造氢气，因而与往常的使用金属氢化物的情况相比，可以廉价地制造氢气。
上述氢气制造装置进一步具备：加热由上述气化器产生的氨气的一部分以将其分解为氮气和氢气的副热解器；以及将包含由上述副热解器分解产生的氮气和氢气的第2分解产物气体与由上述气化器产生的氨气的另一部分混合以产生上述燃料气体的混合器，其中，优选地，通过上述主热解器使上述燃烧气体与空气一起燃烧，从而对由上述气化器产生的氨气的残余部分进行加热。
在这种情况下，由于可以将用于制造氢气的氨气的一部分用作通过主热解器进行燃烧的燃料气体，因而不需要另外地准备燃料气体。
优选地，上述冷却器通过在上述液态氨与上述第1分解产物气体之间进行热交换，从而对该第1分解产物气体进行冷却。
在这种情况下，由于可以将用于制造氢气的液态氨用作通过冷却器来冷却第1分解产物气体的冷却介质，因而不需要另外地准备冷却介质。
优选地，上述气化器加热通过上述冷却器进行热交换后的上述液态氨以产生氨气。
在这种情况下，由于液态氨可以在冷却器中被第1分解产物气体的热预热，因而可以在气化器中有效地由液态氨产生氨气。
发明的效果
根据本发明的氢气制造装置，可以廉价地制造氢气。
附图简要说明
[图1]为表示根据本发明的一个实施方式的氢气制造装置的构成的示意图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
图1为表示根据本发明的一个实施方式的氢气制造装置的构成的示意图。在图1中，本实施方式的氢气制造装置1例如设置在通过使氢气和氧气进行化学反应而发电的车载燃料电池系统(未图示)中，并且制造作为燃料的上述氢气。
氢气制造装置1具备多个罐体2、3、4。罐体2和3存储液态氨，并且分别连接到其中一端连接有切换阀21的第1流路L1和第2流路L2的另一端。第3流路L3进一步连接到切换阀21，并且该切换阀21在将第3流路L3连接到第1流路L1的第1切换位置与将第3流路L3连接到第2流路L2的第2切换位置之间进行切换。例如，关于切换阀21，当罐体2内的液态氨仅剩余少量时，从第1切换位置切换至第2切换位置，当罐体3内的液态氨仅剩余少量时，从第2切换位置切换至第1切换位置。
罐体4存储用于在(例如)附近发生火灾等情况下对罐体2、3内的已升高至危险温度(例如40℃)的液态氨进行冷却的冷却液。作为冷却液，例如可以使用稀盐酸水。
在罐体4上连接有喷雾喷嘴22，该喷雾喷嘴22利用由后述的空气供给源11供给的压缩空气而将冷却液喷雾至罐体2、3。
氢气制造装置1还具备气化器5、副热解器9以及混合器10。
气化器5加热由罐体2、3供给来的液态氨以产生氨气。气化器5具备内管51、设置在内管51的外周上的加热器52、以及对加热器52的温度进行检测的温度检测传感器53。
内管51的一端是向内部导入液态氨的导入口51a，内管51的另一端是将在内管51的内部由液态氨所产生的氨气排出至外部的排出口51b。
第4流路L4的一端连接至导入口51a。第4流路L4的另一端经由后述的冷却器7而连接至第3流路L3的端部。由此，罐体2、3内的液态氨经由第3流路L3、冷却器7和第4流路L4而被导入至气化器5的内管51中。需要说明的是，在第4流路L4的中途设置有调节导入至气化器5的液态氨的导入量的调节阀24。
加热器52由通电发热的镍铬线等电热线构成，并且沿内管51的外周螺旋状地缠绕。由此，加热器52对已导入至内管51内的液态氨进行加热。需要说明的是，除了电热线以外，加热器52还可以利用热光线、等离子体热、热风、红外线、电磁波等其他热源。
温度检测传感器53由(例如)热电偶线构成，并且缠绕地安装在加热器52的一部分上。通过利用该温度检测传感器53来测定加热器52的温度，从而控制对加热器52的通电。在本实施方式中，对加热器52的通电进行控制，以使得加热器52的温度在100℃左右。需要说明的是，在燃料电池系统的运行初期，利用未图示的车载电池对加热器52通电，在燃料电池系统的运行初期之后，利用燃料电池系统的发电电力对加热器52通电。
第5流路L5连接到气化器5的内管51的排出口51b，副热解器9连接到从第5流路L5的中途分支出的第6流路L6的端部。由此，从气化器5排出的氨气的一部分经由第6流路L6而从第5流路L5的中途导入至副热解器9的内管91中。
副热解器9对在气化器5中产生的氨气的一部分进行加热，并且如下式(1)所示地进行吸热分解反应以成为氮气(N2)和氢气(H2)。
2NH3→N2+3H2···(1)
副热解器9具备内管91、设置在内管91的外周上的加热器92、以及对加热器92的温度进行检测的温度检测传感器93。内管91的一端是向内部导入氨气的导入口91a，内管91的另一端是将包含由氨气分解产生的氮气和氢气的分解产物气体(第2分解产物气体)排出至外部的排出口91b。
与气化器5的加热器52同样地，加热器92由通电发热的镍铬线等电热线构成，并且沿内管91的外周螺旋状地缠绕。由此，加热器92对已导入至内管91内的氨气进行加热。需要说明的是，除了电热线以外，加热器92还可以利用热光线、等离子体热、热风、红外线、电磁波等其他热源。
与气化器5的温度检测传感器53同样地，温度检测传感器93由(例如)热电偶线构成，并且缠绕地安装在加热器92的一部分上。通过利用该温度检测传感器93来测定加热器92的温度，从而控制对加热器92的通电。在本实施方式中，对加热器52的通电进行控制，以使得加热器92的温度成为500℃至700℃。需要说明的是，在燃料电池系统的运行初期，利用车载电池对加热器92通电，在燃料电池系统的运行初期之后，利用燃料电池系统的发电电力对加热器92通电。
第7流路L7连接至副热解器9的排出口91b，混合器10连接至第7流路L7的端部。由此，从副热解器9排出的分解产物气体经由第7流路L7而导入至混合器10中。
另外，混合器10还连接到从气化器5延伸出的第5流路L5的端部。由此，从气化器5的排出口51b排出的氨气的另一部分也经由第5流路L5而导入至混合器10中。
混合器10将在副热解器9中分解产生的分解产物气体与在气化器5中产生的氨气的另一部分混合以产生燃料气体。
混合器10具有将在副热解器9中分解产生的分解产物气体导入的第1导入口10a、用于导入在气化器5中产生的氨气的第2导入口10b、以及将在内部混合而产生的混合气体排出的排出口10c。
第7流路L7的端部连接到第1导入口10a，第5流路L5的端部连接到第2导入口10b。由此，从第1导入口10a导入的分解产物气体与从第2导入口10b导入的氨气混合。
氢气制造装置1还具备主热解器6和空气供给源11。
通过使燃料气体燃烧，主热解器6对在气化器5中产生的氨气的残余部分(未导入至副热解器9和混合器10而残余的氨气)进行加热，并且如上式(1)所示地进行吸热分解反应以成为氮气和氢气。
主热解器6具备：在内部形成有燃烧室61a的筒状的壳体61、设置在壳体61内的螺旋状的内管62、对已供给至燃烧室61a内的燃料气体进行点火的火花塞63、以及对燃烧室61a的温度进行检测的温度检测传感器64。
在壳体61的长度方向上的一端形成有导入燃料气体的第1导入口61b。从混合器10的排出口10c延伸出的第8流路L8的端部连接到第1导入口61b。由此，从混合器10排出的燃烧气体经由第8流路L8而导入至壳体61的燃烧室61a中。
另外，在壳体61的长度方向上的一端形成有导入空气的第2导入口61c。从空气供给源11延伸出的第9流路L9的端部连接到第2导入口61c。空气供给源11由(例如)空气压缩机构成，并经由第9流路L9向壳体61的燃烧室61a中供给压缩空气(例如，加压至0.2MPa至0.3MPa的空气)。通过该压缩空气，使燃烧气体容易在燃烧室61a中燃烧。壳体61的长度方向上的另一端是将燃烧气体在燃烧后的废气排出的排出口61d。
内管62的一端是向内部导入在气化器5中产生的氨气的导入口62a，并且该导入口62a在壳体61的排出口61d侧的外周上开口。然后，从第5流路L5的中途分支出的第10流路L10的端部连接到导入口62a。由此，在气化器5中产生的氨气的上述残余部分经由第10流路L10而导入至主热解器6的内管62中。
内管91的另一端是将包含由氨气分解产生的氮气和氢气的分解产物气体(第1分解产物气体)排出至壳体61的外部的排出口62b。该排出口62b在壳体61的长度方向上的中间部的外周上开口。
在壳体61的外周，火花塞63设置在内管91的排出口62b与导入空气的第2导入口61c之间。通过火花塞63在燃烧室61a中产生火花，从而可以使燃烧气体在燃烧室61a中燃烧。
与气化器5的温度检测传感器53同样地，温度检测传感器64由(例如)热电偶线构成，并且缠绕地安装在内管62的一部分上。通过利用该温度检测传感器64来测定燃烧室61a的温度，从而控制燃烧气体和压缩空气的导入量等，以使得燃烧室61a的温度成为500℃至900℃。
在第5流路L5的中途、以及第10流路L10的中途，分别设置有调节导入至混合器10和主热解器6的氨气的导入量的调节阀25、26。另外，在第6流路L6的中途设置有调节导入至副热解器9的氨气的导入量的调节阀27。在本实施方式中，分别控制调节阀25至27，以使得分别向混合器10和副热解器9导入少量氨气同时向主热解器6导入大量的氨气。
如上，在主热解器6中，从混合器10导入至燃烧室61a的燃料气体与从空气供给源11导入至燃烧室61a的空气一起燃烧，从而有效地对从内管91的导入口62a导入至其内部的大量氨气进行加热，使其吸热分解为大量的氮气和氢气。然后，包含上述所分解产生的大量的氮气和氢气的分解产物气体从内管62的排出口62b排出至外部。
氢气制造装置1还具备冷却器7和分离器8。
冷却器7连接到从主热解器6的内管91的排出口62b延伸出的第11流路L11的端部，并对在主热解器6中分解产生的分解产物气体进行冷却。本实施方式的冷却器7在被导入至气化器5之前的液态氨与在主热解器6中分解产生的分解产物气体之间进行热交换，从而冷却该分解产物气体。
冷却器7具备筒状的壳体71、以及设置在壳体71内的螺旋状的内管72。
内管72的一端是将被导入至气化器5之前的液态氨导入至内部的导入口72a，该导入口72a在壳体71的长度方向上的一端侧的外周上开口。并且，从切换阀21延伸出的第3流路L3的端部连接到导入口72a。由此，经由切换阀21和第3流路L3，将低温(例如，-50℃)的液态氨从罐体2、3导入至冷却器7的内管72中。需要说明的是，在第3流路L3的中途设置有调节导入至内管72的氨气的导入量的调节阀23。
内管72的另一端是将已在其内部进行了热交换的液态氨排出至外部的排出口72b，该排出口72b在壳体71的长度方向上的另一端侧的外周上开口。并且，从气化器5延伸出的第4流路L4的端部连接到排出口72b。由此，经由第4流路L4，从排出口72b将已在冷却器7的内管72中进行了热交换的液态氨导入至气化器5的内管51。因此，本实施方式的气化器5对在冷却器7中进行了热交换的液态氨进行加热以产生氨气。
在壳体71的上述另一端侧的端面上，形成有将在主热解器6中分解产生的高温(500℃至900℃)的分解产物气体导入至壳体71内的导入口71a。在壳体71的上述一端侧的端面上，形成有将已在壳体71内进行了热交换的分解产物气体排出至外部的排出口71b。
通过上述构成，当高温的分解产物气体在冷却器7的壳体71内从导入口71a朝向排出口71b通过时，在该高温的分解产物气体与导入至内管51的低温的液态氨之间进行热交换。即，高温的分解产物气体被低温的液态氨冷却，并且低温的氨气被高温的分解产物气体预热到预定温度。在本实施方式中，高温的分解产物气体被低温的液态氨冷却至约50℃。
分离器8从在冷却器7中冷却了的分解产物气体中分离出氢气。本实施方式的分离器8通过设置在其内部的中空纤维气体分离膜(未图示)而从包含氮气和氢气的分解产物气体中仅分离出氢气。
分离器8具有：导入在冷却器7中冷却了的分解产物气体的导入口8a、排出从分解产物气体中分离出的氢气的第1排出口8b、以及排出氢气以外的分解产物气体(氮气)的第2排放口8c。
如上所述，根据本实施方式的氢气制造装置1，通过气化器5加热液态氨以产生氨气，在主热解器6中使燃料气体燃烧，从而对氨气进行加热以分解为氮气和氢气。然后，在通过冷却器7冷却包含所分解产生的氮气和氢气的分解产物气体之后，通过分离器8从分解产物气体中分离出氢气。由此，可以由液态氨制造氢气，因而与往常的使用金属氢化物的情况相比，可以廉价地制造氢气。
此外，通过副热解器9对在气化器5中产生的氨气的一部分进行加热，使其分解为氮气和氢气，并且在混合器10中将包含该氮气和氢气的分解产物气体与在气化器5中产生的氨气的另一部分混合以产生燃烧气体。由此，可以将用于制造氢气的氨气的一部分用作通过主热解器6进行燃烧的燃料气体，因而不需要另外地准备燃料气体。
另外，冷却器7在被导入至气化器5之前的低温的液态氨与在主热解器6中分解产生的高温的分解产物气体之间进行热交换，从而冷却该分解产物气体。由此，可以将用于制造氢气的液态氨用作通过冷却器7来冷却分解产物气体的冷却介质，因而不需要另外地准备冷却介质。
此外，由于气化器5加热在冷却器7中进行了热交换的液态氨以产生氨气，使得液态氨在冷却器7中被高温的分解产物气体的热预热，因而可以在气化器5中有效地由液态氨产生氨气。
在上述实施方式中，虽然将用于制造氢气的氨气的一部分用作通过主热解器6进行燃烧的燃料气体，但是也可以另外地准备氨气等燃烧气体。另外，虽然上述实施方式的气化器5加热在冷却器7中进行了热交换的液态氨以产生氨气，但是也可以直接将液态氨从罐体2、3导入至气化器5并加热以产生氨气。此外，虽然在上述实施方式中，将用于制造氢气的液态氨用作通过冷却器7来冷却分解产物气体的冷却介质，但是也可以另外地准备冷却器7的冷却介质。
除了制造作为燃料电池系统的燃料的氢气以外，本发明的氢气制造装置还可以适用于制造用于其他用途的氢气，例如制造作为氢发动机的氢气等。
需要说明的是，当将由本发明的氢气制造装置所制造的氢气与纯氢气(包括市售的氢气和富氢气体)一起用作由往复式发动机(包括柴油发动机)构成的氢发动机的燃料时，极少数情况下可能会发生逆火。因此，在对氢发动机(往复式发动机)进行点火的情况下，当在启动时或终止时发动机的转速为0至400rpm之间时，若在不供给燃料的情况下通过启动马达来进行启动和终止，则可以防止逆火。
另外，为了在不停止燃料供给的情况下防止逆火，通过在发动机的危险转速下将点火位置调节为比上止点低约5至20度，从而可以防止逆火。
此外，当将转速转换为0至400rpm以上的高速运行(正常运行)以实现提高燃料效率时，点火位置可以比上止点稍微高出约5至10度即可。但是，当发动机要停止时，关闭燃料阀，并且当发动机达到危险转速时，可以再次降低点火位置。
上述实施方式全部都是示意性的，而不是限制性的。本发明的权利范围由权利要求书的范围限定，并且在与本文中所记载的构成等同的范围内的所有修改都包括在本发明的技术范围内。
符号的说明
1 氢气制造装置
2至4 罐体
5 气化器
6 主热解器
7 冷却器
8 分离器
8a 导入口
8b 第1排出口
8c 第2排出口
9 副热解器
10 混合器
10a 第1导入口
10b 第2导入口
10c 排出口
11 空气供给源
21 切换阀
22 喷雾喷嘴
23至27 调节阀
51 内管
51a 导入口
51b 排出口
52 加热器
53 温度检测传感器
61 壳体
61a 燃烧室
61b 第1导入口
61c 第2导入口
61d 排出口
62 内管
62a 导入口
62b 排出口
63 火花塞
64 温度检测传感器
71 壳体
71a 导入口
72b 排出口
72 内管
72a 导入口
72b 排出口
91 内管
91a 导入口
91b 排出口
92 加热器
93 温度检测传感器
L1 第1流路
L2 第2流路
L3 第3流路
L4 第四流路
L5 第5流路
L6 第6流路
L7 第7流路
L8 第8流路
L9 第9流路
L10 第10流路
L11 第11流路

Claims (4)

1.一种氢气制造装置，具备：
加热液态氨以产生氨气的气化器；
通过使燃料气体燃烧来对由所述气化器产生的氨气进行加热以分解为氮气和氢气的主热解器；
将包含由所述主热解器分解产生的氮气和氢气的第1分解产物气体冷却的冷却器；以及
从冷却后的所述第1分解产物气体中分离出氢气的分离器。
2.根据权利要求1所述的氢气制造装置，进一步具备：
加热由所述气化器产生的氨气的一部分以分解为氮气和氢气的副热解器；以及
将包含由所述副热解器分解产生的氮气和氢气的第2分解产物气体与由所述气化器产生的氨气的另一部分混合以产生所述燃料气体的混合器，
所述主热解器使所述燃烧气体与空气一起燃烧，从而对由所述气化器产生的氨气的残余部分进行加热。
3.根据权利要求1或2所述的氢气制造装置，其中，所述冷却器在所述液态氨与所述第1分解产物气体之间进行热交换，从而对该第1分解产物气体进行冷却。
4.根据权利要求3所述的氢气制造装置，其中，所述气化器对通过所述冷却器进行了热交换的所述液态氨进行加热以产生氨气。
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