CN117460865A - 用于处理氨的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了用于处理氨的系统和方法。所述系统可以包括被配置成从包含氨的源材料生成氢的一个或多个反应器模块。由所述一个或多个反应器模块生成的氢可以用于提供反应器模块的额外加热(例如，经由氢的燃烧)，或者可以提供给一个或多个燃料电池以用于产生电能。
Description
交叉引用
本申请要求2021年5月14日提交的美国临时申请号63/188,593、2021年6月28日提交的美国临时申请号63/215,843、2021年8月23日提交的美国临时申请号63/236,048、2021年9月22日提交的美国临时申请号63/247,054、2021年12月21日提交的美国临时申请号63/292,122、2021年7月2日提交的美国申请号17/366,633和2021年8月13日提交的美国申请号17/401,993，其每一者出于所有目的全文以引用方式并入本文。
背景技术
可以使用燃料源来操作各种系统。燃料源可具有与每单位质量的燃料所储存或可提取的能量的量相对应的特定能量。燃料源可被提供给各种系统以使得此类系统能够产生能量和/或递送功率(例如，用于移动或运输目的)。
发明内容
氢可以用作清洁能源来为各种系统提供动力。与其他类型的燃料如具有约45兆焦耳/千克(MJ/kg)的比能(热)的柴油、汽油或喷气燃料或者具有约0.95MJ/kg的比能(电)的锂离子电池相比，氢可提供独特的优势。相比之下，氢具有超过140MJ/kg的比能(热)。因此，1kg氢可以提供与约3kg汽油或煤油相同的量的能量。因此，氢作为燃料源可有助于减少提供与其他传统燃料源相当的量的能量所需的燃料的量(按质量计)。此外，使用氢作为燃料源(例如，作为燃烧反应物)的系统通常会产生温和或无毒的副产物如水，同时产生极小或接近零的温室气体(例如，二氧化碳和一氧化二氮)排放，从而减少使用氢作为燃料源的各种系统(例如，运输模式)的环境影响。
本文认识到当前可用的氢储存和生产系统的各种限制。尽管氢具有相对高的重量密度(以MJ/kg量度)，但由于需要提供并维持专门的储存条件，故针对压缩和液化氢的燃料储存系统常常很复杂。例如，以气体形式储存氢可能需要高压罐(例如，350-700巴或5,000-10,000psi)。以液体形式储存氢可能需要低温温度，因为氢在1atm的压力下的沸点为-252.8℃。本文还认识到可商购获得的氨处理系统的各种限制，其通常具有慢的启动时间、非理想的热特性、次优的氨转化效率以及高的重量和体积要求。
本公开提供了解决用于处理氨并生产、储存和/或释放氢以用作燃料源(例如，在燃料加注站或动力发生系统处)的常规系统的至少上述缺点的系统和方法。本公开的实施方案总的涉及用于处理源材料以产生或提取燃料源的系统和方法。燃料源可以包括氢。源材料可以包括包含氢的任何材料或化合物(例如，烃)。在一些情况下，源材料可以包括氨(NH3)。
本系统和方法在若干方面是有利的。本系统和方法的一些实施方案使得能够实现其中经由其他脱碳方法补给燃料可能困难的长途运输(例如，在超过500英里的卡车运输路线上或在跨洋航运路线上)的脱碳(例如，使用氨作为源材料并使用氢作为燃料源)。在这样的长途路线上，使用电池来为发动机提供动力可能需要过长的充电时间以及过大的重量和体积要求，这会因减少可用于货物的空间而减少船舶运营商的收入。另外，由于前面描述的针对氢的专门的储存条件以及对储罐的大体积要求，故在这样的长途路线上仅使用氢(例如，以纯氢形式储存而不是由氨转化而来的氢)可能是不可行的。因此，本系统和方法的一些实施方案，在利用氨作为源材料并使用氢作为燃料源时，可以产生高电力(5千瓦或更大)，同时包括高能量密度(按重量计655Wh/kg或更大和按体积计447Wh/L或更大)。
另外，本公开中的反应器的一些实施方案可以通过燃烧从氨提取的氢来加热(而不是通过燃烧烃或氨来加热反应器，这可能不期望地排放温室气体、氮氧化物(NOx)和/或颗粒物质)。在一些实施方案中，通过将氨分解或裂化成氢，可以不需要单独的罐来储存用于加热本公开的反应器模块的燃烧燃料(例如，烃、氢或氨)。
另外，本系统和方法的一些实施方案可以通过利用高氨转化效率(由本公开的反应器和催化剂设计实现)并用吸附剂去除未转化的氨而提供具有痕量氨的高度纯化的氢流(例如，纯度99％或更高)或包含痕量氨(例如，低于1ppm)的与氮混合的氢流。在一些实施方案中，高纯氢流(或与氮混合的氢流)可以由质子交换膜燃料电池(PEMFC)或其他动力发生装置(例如，内燃发动机[ICE]或固体氧化物燃料电池[SOFC])消耗。
另外，本系统和方法可以操作简单并提供高度的安全性。在一些实施方案中，可以使用单个入口从氨罐引入氨(例如，而不是第一入口用于第一反应器模块、第二入口用于第二反应器模块等)。在一些实施方案中，单个氨流经过所有反应器模块(例如，首先经过启动反应器，然后进入主反应器，或反过来)。在一些实施方案中，这种配置可以将来自反应器模块的过量的热传递到来自储罐的氨输入物(从而促进液态氨的气化)，并可以确保足够高的氨转化效率。在一些实施方案中，可以在此单个入口处控制氨流速，并且在发生重大故障或危险事件的情况下，可以经由此单个入口快速切断氨流。
在一个方面，本公开提供了一种用于处理氨的系统。所述系统可以包括被配置成接收包含氨的源材料的第一反应器模块，其中所述第一反应器模块包括(i)第一催化剂和(ii)启动加热和重整单元，其中所述启动加热和重整单元包括用于使电流经过第一催化剂以加热第一催化剂的一个或多个电极，其中所述第一催化剂被配置成在使用启动加热和重整单元加热第一催化剂时从氨产生或提取氢；和与第一反应器模块流体连通的第二反应器模块，其中所述第二反应器模块被配置成接收包含氨的源材料，其中所述第二反应器模块包括(i)第二催化剂和(ii)用于加热第二催化剂的一个或多个主加热单元，其中所述一个或多个主加热单元中的至少一个被配置成通过燃烧由第一反应器模块生成的氢来加热第二催化剂的至少一部分，其中所述第二催化剂被配置成在使用所述一个或多个主加热单元加热第二催化剂时从氨产生或提取氢。
在一些实施方案中，所述一个或多个氨燃料源包括一个或多个液体燃料储罐，其中氨以液态氨形式储存在所述一个或多个液体燃料储罐中。
在一些实施方案中，液态氨储存在约15至约30℃的范围内的温度下和7至12巴的范围内的绝对压力下。在一些实施方案中，液态氨储存在约大气压至约20巴的范围内的表压下。在一些实施方案中，液态氨储存在约-40至约20℃的范围内的温度下和约0.5巴至约9巴的范围内的绝对压力下。
在一些实施方案中，所述一个或多个主加热单元包括电加热器或燃烧加热器。在一些实施方案中，所述一个或多个电极包括一个或多个金属电极。在一些实施方案中，所述一个或多个金属电极可以包含铜。
在一些实施方案中，第一催化剂和第二催化剂中的至少之一包含金属泡沫催化剂。在一些实施方案中，金属泡沫催化剂包含镍、铁、铬、钴、钼、铜或铝。在一些实施方案中，金属泡沫催化剂包含一种或多种合金，所述合金包含镍、铁、铬、钴、钼、铜或铝。在一些实施方案中，金属泡沫催化剂包含一种或多种粉末或球团催化剂的催化涂层。在一些实施方案中，催化涂层包含金属材料、促进剂材料、载体材料或其任何组合。在一些实施方案中，金属材料包含钌、镍、铑、铱、钴、铁、铂、铬、钯或铜。在一些实施方案中，促进剂材料包含选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Ba、Sr、La、Ce、Pr、Sm或Gd的至少一种材料。在一些实施方案中，载体包含选自以下的至少一种材料：Al2O3、MgO、CeO2、ZrO2、La2O3、SiO2、Y2O3、TiO2、SiC、六角BN(氮化硼)、BN纳米管、碳化硅、一种或多种沸石、LaAlO3、CeAlO3、MgA12O4、CaAl2O4或一种或多种碳纳米管。
在一些实施方案中，催化涂层包含一种或多种基于钌的前体。在一些实施方案中，所述一种或多种基于钌的前体包括RuCl3或Ru3(CO)12。在一些实施方案中，金属泡沫催化剂具有至少约8微欧姆-米(μΩm)的表观电阻率。在一些实施方案中，使用一种或多种蚀刻、浸提或酸性处理来处理金属泡沫催化剂以增加金属泡沫催化剂的表面积。在一些实施方案中，金属泡沫催化剂经热处理和热活化。在一些实施方案中，使用物理气相沉积或化学气相沉积处理来涂覆金属泡沫催化剂。
在一些实施方案中，第一反应器模块包括可堆叠在彼此之上的多个模块化单元。在一些实施方案中，所述多个模块化单元中的每一个包括金属泡沫催化剂和用于将氨引导至金属泡沫催化剂的一个或多个反应器通道。在一些实施方案中，系统还可包括用于分隔所述多个模块化单元的一个或多个绝缘面板，其中所述一个或多个绝缘面板包括电绝缘涂层，其中所述电绝缘涂层位于所述多个模块化单元之间。
在一些实施方案中，使用第一反应器模块生成的氢可用于为一个或多个燃料电池提供动力或经由燃烧加热第二反应器模块。在一些实施方案中，第一反应器模块提供至多约5分钟的启动时间以达到至少约550摄氏度的目标温度。在一些实施方案中，第一反应器模块提供至多约60分钟的启动时间以达到至少约550摄氏度的目标温度。在一些实施方案中，第一反应器模块提供至少约90％的氨转化效率。在一些实施方案中，第一反应器模块具有每立方厘米反应器床体积约10瓦电功率的功率密度。在一些实施方案中，系统具有至少约600瓦时/千克的系统级电能密度。在一些实施方案中，系统具有至少约5重量％的氢储存容量。在一些实施方案中，第一反应器模块和第二反应器模块中的至少之一被配置用于从电力或氢燃烧产生自热。
在一些实施方案中，系统还可包括与第一反应器模块和第二反应器模块中的至少之一流体连通的一个或多个燃料电池。在一些实施方案中，系统还可包括用于负载跟随和初始反应器加热功率的混合电池。在一些实施方案中，混合电池与第一反应器模块和第二反应器模块中的至少之一电连通。
在一些实施方案中，第二反应器模块与第一反应器模块流体连通以允许氢、氮或氨在第一反应器模块与第二反应器模块之间输送。在一些实施方案中，第二反应器模块与第一反应器模块热连通和/或流体连通。在一些实施方案中，从相同的源向第一反应器模块和第二反应器模块提供源材料。在一些实施方案中，从不同的源向第一反应器模块和第二反应器模块提供源材料。
在一些实施方案中，系统还可包括邻近于催化剂和/或所述一个或多个电极的一个或多个弹簧，其中所述一个或多个弹簧被配置成在催化剂经历一个或多个热循环程序时减轻或重新分配催化剂上的机械负载。在一些实施方案中，所述一个或多个弹簧包括一个或多个金属弹簧。在一些实施方案中，所述一个或多个弹簧包括一个或多个铜弹簧。在一些实施方案中，所述一个或多个弹簧被配置成在一个或多个热循环程序期间缓解由于催化剂的热膨胀或热收缩而导致的催化剂上的热应力。
在另一个方面，本公开提供了一种用于处理氨的方法，其包括：(a)提供(i)第一反应器模块，所述第一反应器模块包括第一催化剂及启动加热和重整单元，和(ii)与第一反应器模块流体连通的第二反应器模块，其中所述第二反应器模块包括第二催化剂和一个或多个主加热单元；(b)使用启动加热和重整单元使电流经过第一催化剂以加热第一催化剂，其中所述第一催化剂被配置成在被加热时从氨产生或提取氢；和(c)使用所述一个或多个主加热单元中的至少一个通过燃烧使用第一反应器模块和/或第二反应器模块生成的氢来加热第二催化剂的至少一部分。
在一些实施方案中，所述方法还可包括使用第二催化剂来从氨产生或提取氢，其中所述第二催化剂被配置成在被加热时从氨产生或提取氢。在一些实施方案中，所述方法还可包括将使用第二催化剂生成的氢的至少一部分引导至一个或多个燃料电池以产生电能。在一些实施方案中，所述方法还可包括将使用第一催化剂生成的氢的至少一部分引导至一个或多个燃料电池以产生电能。
在另一个方面，本公开提供了一种系统，其包括：被配置成接收包含氨的源材料的反应器模块，其中所述反应器模块包括催化剂和用于加热催化剂的多个加热单元，其中所述多个加热单元包括被配置成通过燃烧加热催化剂的至少第一部分的第一加热单元和被配置成使用电加热加热催化剂的至少第二部分的第二加热单元，其中所述催化剂被配置成在使用所述多个加热单元加热催化剂时从氨产生或提取氢。
在一些实施方案中，第二加热单元被配置成通过使电流经过催化剂的第二部分来加热催化剂的第二部分。在一些实施方案中，系统还可包括与反应器模块流体连通和/或热连通的辅助反应器模块，其中所述辅助反应器模块包括辅助催化剂和辅助加热单元，其中所述辅助加热单元被配置成加热辅助催化剂，其中所述辅助催化剂被配置成在使用辅助加热单元加热辅助催化剂时从氨产生或提取氢。
在一些实施方案中，反应器模块的第一加热单元被配置成通过燃烧使用辅助反应器模块生成的氢来加热催化剂的第一部分。在一些实施方案中，第一加热单元被配置成通过燃烧来自与反应器模块或辅助反应器模块流体连通的一个或多个燃料电池的剩余氢气来加热催化剂的第一部分。在一些实施方案中，辅助加热单元包括用于使电流经过辅助催化剂以加热辅助催化剂的一个或多个电极。
在一些实施方案中，第一加热单元与第二加热单元之间的热负载分布是可调节的以增加氨裂化转化效率并增强反应器模块的热重整效率。在一些实施方案中，系统还可包括被配置成控制第一加热单元和第二加热单元的操作以调节反应器模块内的热负载分布的控制器。在一些实施方案中，热负载分布包括对应于第一加热单元的加热功率与第二加热单元的加热功率之间的比率的加热功率比。
在一些实施方案中，反应器模块具有至少约80％的热重整效率。在一些实施方案中，反应器模块具有至少约90％的热重整效率。在一些实施方案中，反应器模块具有至少约95％的热重整效率。在一些实施方案中，反应器模块包括筒式加热器设计，其利用具有高热传递系数的一种或多种电绝缘材料。在一些实施方案中，所述一种或多种电绝缘材料包括氮化硼。在一些实施方案中，反应器模块包括反应床，其包括包含金属材料、促进剂材料和载体材料的一种或多种氨分解催化剂。在一些实施方案中，第一加热单元和第二加热单元被配置成加热反应床的不同部分。在一些实施方案中，金属材料包含钌、镍、铑、铱、钴、铁、铂、铬、钯或铜。在一些实施方案中，促进剂材料包含选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Ba、Sr、La、Ce、Pr、Sm或Gd的至少一种材料。在一些实施方案中，载体包含选自以下的至少一种材料：Al2O3、MgO、CeO2、ZrO2、La2O3、SiO2、Y2O3、TiO2、SiC、六角BN(氮化硼)、BN纳米管、碳化硅、一种或多种沸石、LaAlO3、CeAlO3、MgAl2O4、CaAl2O4或一种或多种碳纳米管。
在一些实施方案中，反应器模块包括厚度在约0.5毫米至约1.5毫米的范围内的一个或多个壁以减少热质量并提供更快且更动态的温度响应。在一些实施方案中，反应器模块包括厚度在约1.5毫米至约10毫米的范围内的一个或多个壁(以增加结构完整性)。在一些实施方案中，系统还可包括与反应器模块流体连通的一个或多个燃料电池，其中所述一个或多个燃料电池被配置成使用由反应器模块生成的氢产生电能。
在一些实施方案中，所述多个加热单元包括至少两个或更多个加热单元。在一些实施方案中，所述至少两个或更多个加热单元之间的热负载分布是可调节的以增加氨转化效率并增强反应器模块的热重整效率。在一些实施方案中，所述至少两个或更多个加热单元中的每一个在反应器模块中具有一个或多个加热区以允许在反应器模块中的一个或多个区域内的连续热分布。在一些实施方案中，所述至少两个或更多个加热单元被配置成加热反应器模块中的不同区。在一些实施方案中，所述至少两个或更多个加热单元被配置成加热反应器模块中的一个或多个相同区。在一些实施方案中，第一部分和第二部分是催化剂的不同部分。在一些实施方案中，电加热包括焦耳加热。
在另一个方面，本公开提供了一种方法，其包括：(a)提供反应器模块，所述反应器模块包括催化剂和用于加热催化剂的多个加热单元，其中所述多个加热单元包括第一加热单元和第二加热单元，其中所述催化剂被配置成在使用所述多个加热单元加热催化剂时从氨产生或提取氢；和(b)使用(i)第一加热单元通过燃烧来加热催化剂的至少第一部分和(ii)第二加热单元通过电加热来加热催化剂的至少第二部分。
在一些实施方案中，所述方法还可包括使用催化剂来从氨提取氢。在一些实施方案中，所述方法还可包括将所提取的氢引导至一个或多个燃料电池以产生电能。在一些实施方案中，使用第一加热单元来加热催化剂的至少第一部分包括燃烧使用辅助反应器模块生成的氢气。在一些实施方案中，使用第二加热单元来加热催化剂的至少第二部分包括使电流经过催化剂的第二部分。在一些实施方案中，所述方法还可包括调节第一加热单元与第二加热单元之间的热负载分布以增加氨转化效率并增强反应器模块的热重整效率。
在另一个方面，本公开提供了一种用于处理氨的系统，其包括：用于使用一种或多种催化剂分解氨的一个或多个反应器；用于加热所述一个或多个反应器的至少入口流或用于冷却所述一个或多个反应器的至少出口流的一个或多个热交换器；和用于从所述一个或多个反应器的出口流过滤或移除一种或多种痕量材料的一个或多个吸附塔。在一些实施方案中，所述一个或多个吸附塔包含具有筒式外形尺寸的一种或多种吸附剂。在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括启动反应器和主反应器。启动反应器可以被配置成将氨分解成氢并将至少所述氢提供给主反应器作为用于燃烧加热的燃料。在一些实施方案中，启动反应器被配置成使用电加热、电阻加热、感应加热或焦耳加热来加热所述一种或多种催化剂。在一些实施方案中，启动反应器与主反应器流体连通和/或热连通。在一些实施方案中，所述一个或多个吸附塔包括用于按需吸附剂再生和连续系统操作的两个或更多个吸附剂床。
在一些实施方案中，系统还可包括用于选择性地使反应器出口流在第一吸附剂床与第二吸附剂床之间转向的一个或多个阀或流动控制单元。在一些实施方案中，系统还可包括被配置成控制所述一个或多个阀或流动控制单元以将反应器出口流转向至再生吸附剂床的控制器。在一些实施方案中，系统还可包括用于再生所述一个或多个吸附塔的一个或多个另外的热交换器。在一些实施方案中，系统还可包括泵或鼓风机，其被配置成从反应器出口流移除痕量氨并将痕量氨的流与来自与所述一个或多个反应器和/或所述一个或多个吸附塔(例如，在吸附剂再生期间)的燃烧加热器流体连通的燃料电池的出口流合并。在一些实施方案中，系统还可包括与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池。在一些实施方案中，系统还可包括与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个氨罐。在一些实施方案中，用于反应器的出口流和/或入口流的所述一个或多个热交换器可以与氨储罐热连通以为氨储罐内的氨蒸发提供加热能量。在一些实施方案中，反应器的出口流和/或入口流可以与来自氨储罐的流热连通以实现氨蒸发和/或提高温度。在一些实施方案中，系统还可包括与一个或多个燃料电池热连通的氨储罐以从所述一个或多个燃料电池回收废热从而为氨储罐中的氨蒸发提供加热能量。在一些实施方案中，系统可以包括与一个或多个燃料电池热连通的一个或多个热交换器以从所述一个或多个燃料电池回收废热从而为所述一个或多个热交换器内的氨蒸发提供加热能量。在一些实施方案中，反应器入口流或出口流包含氢、氮和氨中的至少一种。在一些实施方案中，所述一种或多种痕量材料包括氨。在一些实施方案中，氨包括未转化的氨。在一些实施方案中，系统还可包括与氨储罐热连通的一个或多个另外的热交换器以为氨储罐内的氨蒸发提供加热能量。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器可以被配置成安装到载具。在一些实施方案中，载具包括陆地载具、空中载具或水上载具(例如，小船、轮船或任何其他类型的海上载具)。在一些实施方案中，所述一个或多个反应器被配置成安装在载具的前部区域、后部区域、侧部区域、内部区域、外部区域、上部区域或下部区域中。在一些实施方案中，所述一个或多个反应器、所述一个或多个热交换器和所述一个或多个吸附塔被配置成安装在载具的不同部分或区域中。在一些实施方案中，载具包括无人机、汽车或卡车。在一些实施方案中，载具被配置成由人或计算机操作。在一些实施方案中，载具是自主的或半自主的。
在另一个方面，本公开提供了一种系统，其包括：(a)氨储罐；(b)与氨储罐流体连通的反应器，其中所述反应器被配置成分解从氨储罐接收的氨以生成包含氢的反应器出口流；(c)一种或多种吸附剂，其被配置成从反应器出口流的至少一部分滤出或移除未转化的氨以提供经过滤的反应器出口流；(d)与反应器和所述一种或多种吸附剂中的至少之一流体连通的一个或多个燃料电池，其中所述一个或多个燃料电池被配置成(i)从所述一种或多种吸附剂接收经过滤的反应器出口流，(ii)处理经过滤的反应器出口流以产生电力，和(iii)输出包含未转化的氢的燃料电池出口流；和(e)至少部分地嵌入在反应器内的一个或多个燃烧器，其中所述一个或多个燃烧器(i)与氨储罐、反应器、所述一种或多种吸附剂和所述一个或多个燃料电池中的至少之一流体连通，并且(ii)被配置成燃烧来自氨罐的氨流、反应器出口流、经过滤的反应器出口流或燃料电池出口流的至少一部分以产生热能来在多个不同的区域中加热反应器而促进氨分解。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器被配置成燃烧反应器出口流的至少一部分以加热反应器内的多个不同区域。在一些实施方案中，反应器出口流还包含未分解的氨。在一些实施方案中，反应器出口流还包含氮。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器被配置成燃烧燃料电池出口流的至少一部分以加热反应器内的多个不同区域。在一些实施方案中，燃料电池出口流还包含氢。在一些实施方案中，燃料电池出口流还包含氮。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器包括被配置成加热反应器内的多个不同区域的一个或多个不同的燃烧区。在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器包括被配置成混合包含氢的流与包含氧的流以促进燃烧的一个或多个空气-燃料接触区。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器包括圆柱形形状或圆形横截面。在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器与反应器同心。
在一些实施方案中，系统还包括与所述一个或多个燃烧器流体连通的空气供给单元，其中所述空气供给单元被配置成向所述一个或多个燃烧器供给至少氧。在一些实施方案中，空气供给单元包括风扇、鼓风机、压缩机、压缩气缸、文丘里节流装置、涡轮机或涡轮增压单元。在一些实施方案中，空气供给单元包括由来自所述一个或多个燃烧器的燃烧器出口流驱动的涡轮增压单元。
在一些实施方案中，系统包括体积为至多约2m3的移动系统。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器包括矩形形状或矩形横截面。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器包含被配置成增强燃烧器稳定性的高温耐火材料。在一些实施方案中，高温耐火材料包括氧化铝、镁、二氧化硅、石灰、钢、钨、钼、碳化钨或其任何组合。在一些实施方案中，高温耐火材料包括选自以下的金属氧化物：A12O3、SiO2、ZrO2、VO2、Ta、Ni合金、Al合金、Mo合金、Cr合金、Si合金或其任何组合。在一些实施方案中，耐火材料涂覆在所述一个或多个燃烧器的一个或多个表面上。
在一些实施方案中，经过滤的反应器出口流包含至多约100ppm的氨。在一些实施方案中，经过滤的反应器出口流包含至多约10ppm的氨。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器包括常压燃烧器、自然吸气燃烧器、旋流燃烧器或加压燃烧器。在一些实施方案中，常压燃烧器被配置成从压缩气缸或空气供给单元(例如，风扇、鼓风机、压缩机等)接收空气或氧的供给。在一些实施方案中，自然吸气燃烧器被配置成部分地基于燃烧器内引起的真空从周围环境接收空气或氧的供给。在一些实施方案中，加压燃烧器被配置成从联接到涡轮机的空气供给单元(例如，风扇、鼓风机、压缩机等)接收空气或氧的供给，其中所述涡轮机由来自加压燃烧器的一种或多种排气驱动。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器被配置成燃烧在燃烧区域上游至少部分地预混合的空气和燃料的混合物。在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器被配置成燃烧空气和燃料的混合物，其中所述空气和燃料在燃烧区域处或附近混合以产生火焰。在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器被配置成燃烧空气和燃料的混合物，其中所述空气和燃料在燃烧区域上游的一组预混合区处混合以增强热量分布。在一些实施方案中，所述一组预混合区中的每个预混合区被配置成预燃烧空气和燃料的混合物的至少一部分，从而在整个燃烧器中更均匀地分布热量并降低一个或多个局部热点温度。在一些实施方案中，所述一组预混合区包括至少1个预混合区。在一些实施方案中，所述一组预混合区包括至少2个预混合区。在一些实施方案中，所述一组预混合区包括至少3个预混合区。
在一些实施方案中，燃烧燃料包括反应器出口流、来自氨储罐的流、经过滤的反应器出口流或燃料电池出口流中的至少之一。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器被配置成燃烧来自氨储罐的氨流的至少一部分以产生热能来在多个不同的区域中加热反应器而促进氨分解。
在另一个方面，本公开提供了一种系统，其包括：一个或多个反应器，其被配置成将提供给所述一个或多个反应器的氨裂化以产生氢、氮和/或氨；和与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池，其中所述一个或多个燃料电池被配置成接收和处理氢以产生电能，其中所述一个或多个反应器和所述一个或多个燃料电池被配置成安装在空中载具上或安装到空中载具，其中所述一个或多个燃料电池与空中载具的一个或多个马达或驱动单元电连通，以驱动空中载具的所述一个或多个马达或驱动单元。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括启动反应器和主反应器。
在一些实施方案中，启动反应器被配置成将提供给所述一个或多个反应器的氨的至少一部分裂化以产生氢、氮和/或氨。在一些实施方案中，启动反应器与主反应器流体连通，其中主反应器被配置成燃烧来自启动反应器的出口流的至少一部分以加热主反应器。
在一些实施方案中，来自启动反应器的出口流包含氢及氨或氮中的至少之一。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括两个或更多个启动反应器和两个或更多个主反应器。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成基于从所述一个或多个燃料电池输出的期望功率来控制提供给所述一个或多个反应器的所述氨的流的控制器。
在一些实施方案中，所述系统还包括与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂，其中所述一种或多种吸附剂被配置成处理来自所述一个或多个反应器的出口流以从所述出口流滤出或移除氨，其中所述出口流包含至少氢和/或氮。
在一些实施方案中，吸附剂与所述一个或多个燃料电池流体连通，其中吸附剂被配置成在从所述一个或多个反应器的出口流滤出或移除氨之后将氢和/或氮引导至所述一个或多个燃料电池。
在一些实施方案中，所述系统还包括与所述一个或多个燃料电池流体连通的一个或多个燃烧器，其中所述一个或多个燃烧器被配置成燃烧来自所述一个或多个燃料电池的出口流以加热所述一个或多个反应器。
在一些实施方案中，来自所述一个或多个燃料电池的出口流包含未转化的氢。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池与电负载连通。
在一些实施方案中，电负载包括空中载具的一个或多个马达或驱动单元。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧器至少部分地位于所述一个或多个反应器内。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于为空中载具的所述一个或多个马达或驱动单元提供动力的辅助电池。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于冷却所述一个或多个反应器的出口流的一个或多个热交换器。在一些实施方案中，所述系统还包括用于气化和/或加热来自所述一个或多个燃料储罐的流的一个或多个热交换器。
在一些实施方案中，所述系统还包括安装在空中载具上的一个或多个燃料储罐，其中所述燃料储罐与所述一个或多个热交换器和/或所述一个或多个反应器流体连通以提供氨。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池与所述一个或多个燃料储罐和/或一个或多个热交换器热连通以促进热能从所述一个或多个燃料电池传递到所述一个或多个燃料储罐和/或一个或多个热交换器以加热所述一个或多个燃料储罐和/或一个或多个热交换器以实现氨蒸发。
在一些实施方案中，所述一个或多个热交换器与来自所述一个或多个燃料电池的出口流热连通以冷却热交换器和/或来自所述一个或多个反应器的出口流，其中来自所述一个或多个燃料电池的出口流包含至少空气或氧。
在一些实施方案中，所述系统还包括控制器，其可操作地联接到一个或多个阀以控制(i)去往所述一个或多个反应器或所述一个或多个热交换器的所述氨的流或(ii)去往所述一个或多个燃料电池的氢流。在一些实施方案中，控制器被配置成通过控制所述一个或多个阀的操作来提供动态功率控制。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器中的每一个被配置成每分钟裂化至少约30升氨。
在一些实施方案中，所述系统还包括控制器和可操作地联接到所述控制器的一个或多个传感器，其中所述控制器被配置成基于使用所述一个或多个传感器获得的一个或多个测量值来监测所述一个或多个反应器的温度、氨和/或氢的流动压力和/或所述一个或多个燃料电池的电输出。在一些实施方案中，控制器被配置成在所述一个或多个反应器的温度降低或下降到阈值温度以下时增加空气供给单元的功率以增加去往所述一个或多个反应器的一个或多个燃烧器的空气流速。在一些实施方案中，控制器被配置成调制连接到氨储罐的一个或多个阀以维持或达到对应于所需氨流速和功率输出的阈值压力点。
在一些方面，本公开提供了一种用于处理氨的系统，其包括：用于分解氨的一个或多个反应器；嵌入在所述一个或多个反应器中的至少一个中的一个或多个加热元件；和设置在所述一个或多个加热元件周围或邻近于所述一个或多个加热元件设置以增强流场和加热均匀性的一个或多个流动通道，其中所述一个或多个加热元件被配置成当流体沿着设置在所述一个或多个加热元件周围或邻近于所述一个或多个加热元件设置的所述一个或多个流动通道流动时加热包含一种或多种重整气体的流体。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器中的每一个被配置成输出可用于产生至少约25千瓦功率的体积或量的氢。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括一个或多个封闭或部分封闭的区域，其(i)包括所述一个或多个流动通道并且(ii)围绕所述一个或多个加热元件，其中所述一个或多个封闭或部分封闭的区域允许所述一种或多种重整气体在所述一个或多个加热元件周围经过以促进所述一个或多个加热元件与所述一种或多种重整气体之间的热传递。
在一些实施方案中，所述一个或多个加热元件包括燃烧加热器、电加热器或包括燃烧加热器和电加热器两者的混合加热单元。
在一些实施方案中，混合加热单元包括沿着所述至少一个反应器的长度串联的燃烧加热器和电加热器。
在一些实施方案中，混合加热单元包括正交于所述至少一个反应器的长度并联的燃烧加热器和电加热器。
在一些实施方案中，所述系统还包括一种或多种催化剂，其被配置成在由所述一个或多个加热元件加热时分解或裂化氨。
在一些实施方案中，所述一种或多种催化剂设置在所述一个或多个加热元件的外侧或外部。
在一些实施方案中，所述一个或多个加热元件包括与沿着所述一个或多个流动通道流动或流过所述一个或多个流动通道的流体热连通的一个或多个外表面，其中所述一种或多种催化剂邻近于所述一个或多个加热元件的外表面和/或与所述一个或多个加热元件的外表面热连通地设置。
在一些实施方案中，所述一种或多种催化剂位于或设置在所述一个或多个流动通道内。
在一些实施方案中，所述一个或多个流动通道包括圆形横截面以允许流体的均匀加热。
在一些实施方案中，所述一个或多个气体入口被配置成将流体流分配到所述一个或多个反应器中的至少一个反应器内的多个流动通道中。
在一些实施方案中，所述一个或多个加热元件被配置成在所述反应器内提供多个加热区，其中所述多个加热区具有不同的温度和/或加热功率，所述温度和/或加热功率是预定的或可调节的。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括包含圆形、椭圆形、卵形或包括三条边或更多条边的任何多边形的横截面形状。
在一些实施方案中，所述一个或多个流动通道包括包含圆形、椭圆形、卵形或包括三条边或更多条边的任何多边形的横截面形状。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括类似于所述一个或多个流动通道中的一个流动通道的横截面形状的横截面形状。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括不同于所述一个或多个流动通道中的一个流动通道的横截面形状的横截面形状。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括(i)用于使来自一个或多个气体入口的重整气体沿着所述一个或多个加热元件的一部分经过的第一流动路径和(ii)用于将重整物气体引导至一个或多个气体出口的第二流动路径。
在一些实施方案中，第一流动路径和第二流动路径在不同的方向上取向。
在一些实施方案中，第一流动路径和第二流动路径邻近于彼此定位以实现(i)经由所述一个或多个气体入口进入所述一个或多个反应器的所述一种或多种重整气体与(ii)经由气体出口离开所述一个或多个反应器的一种或多种重整物气体之间的热能传递。
在一些实施方案中，所述系统还包括多个流动通道，其中与第一流动路径相关联的所述多个流动通道中的第一流动通道、与第二流动路径相关联的所述一个或多个流动通道中的第二流动通道或第一流动通道和第二流动通道两者具有被配置成增强热传递的一个或多个内部延伸表面。
在一些实施方案中，所述一个或多个加热元件中的每个单独的加热元件包括一个或多个专用流动通道。
在一些实施方案中，所述一个或多个加热元件各自包括不同的相应流动通道。
在一些实施方案中，所述一个或多个加热元件被配置成(i)控制所述一个或多个加热元件或所述一个或多个反应器的不同区域的温度和/或加热功率，或(ii)调节所述一个或多个反应器内一个或多个加热区的位置以优化氨热重整效率和/或转化效率。反应器的燃料重整或转化能力可以基于在一个或多个反应器下游进行的测量来确定或计算。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于分解氨的多种不同的催化剂，其中所述多种不同的催化剂与所述一个或多个加热元件中的至少一个热连通。
在一些实施方案中，所述多种不同的催化剂包括具有第一组氨重整性质的第一催化剂和具有第二组氨重整性质的第二催化剂。
在一些实施方案中，第一催化剂和第二催化剂与不同的加热元件、相同加热元件的不同位置或区域或由所述一个或多个加热元件产生的不同加热区热连通。
在一些实施方案中，所述一个或多个流动通道包括一个或多个挡板以引起湍流、混合、增加流动停留时间和/或增强流动均匀性和热传递。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成通过调制一个或多个流动控制单元来控制进入所述一个或多个流动通道中的氨流的控制器。
在一些实施方案中，控制器被配置成基于所述一个或多个加热元件中的每一个的加热功率输入和/或温度来控制氨的流动。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成控制所述一个或多个加热元件的操作或温度的控制器。
在一些实施方案中，所述系统还包括在所述一个或多个反应器的一个或多个热出口流与一个或多个冷入口流之间的一个或多个热交换器。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器中的每一个被配置成重整至少约300L/min的氨。在一些实施方案中，所述一个或多个反应器中的每一个被配置成重整至少约300标准升/分钟(SLM)的氨。
在一些实施方案中，所述系统还包括：与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池，其中所述一个或多个燃料电池被配置成接收和处理由氨的分解生成的氢以产生电能，其中所述系统具有至少约600Wh/kg、至少约400Wh/L或两者的能量密度。
在一些实施方案中，所述系统还包括多个反应器，其中所述多个反应器中的第一反应器包括电加热器，并且其中所述多个反应器中的第二反应器包括燃烧加热器，并且其中所述第一反应器和所述第二反应器串联或并联地流体连通。
在另一个方面，本公开提供了一种系统，其包括：与一个或多个氨源流体连通的一个或多个反应器，其中所述一个或多个反应器包含一种或多种催化剂；和与所述一种或多种催化剂热连通的多个加热元件，其中所述一个或多个反应器被配置成使用所述一种或多种催化剂和所述多个加热元件，从由所述一个或多个氨源提供或自所述一个或多个氨源接收的氨产生或生成氢，其中所述多个加热元件包括至少一个电加热器和至少一个燃烧加热器。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括第一反应器和与第一反应器流体连通的第二反应器。
在一些实施方案中，第一反应器包括(i)第一催化剂和(ii)被配置成加热第一催化剂的启动加热单元，其中所述第一催化剂被配置成从氨产生或提取氢。
在一些实施方案中，启动加热单元包括所述至少一个电加热器。
在一些实施方案中，所述至少一个电加热器包括用于使电流经过第一催化剂以加热第一催化剂的一个或多个电极。
在一些实施方案中，第二反应器包括(i)第二催化剂和(ii)被配置成加热第二催化剂的一个或多个主加热单元，其中所述第二催化剂被配置成从氨产生或提取氢。
在一些实施方案中，所述一个或多个主加热单元包括所述至少一个燃烧加热器。
在一些实施方案中，所述至少一个燃烧加热器被配置成通过燃烧由第一反应器生成的氢来加热第二催化剂的至少一部分。
在一些实施方案中，所述系统还包括所述一个或多个氨源。
在一些实施方案中，所述一个或多个氨源包括一个或多个液体燃料储罐，其中氨以液态氨形式储存在所述一个或多个液体燃料储罐中。
在一些实施方案中，液态氨储存在约15至约30℃的范围内的温度下和7至12巴的范围内的绝对压力下。
在一些实施方案中，液态氨储存在约大气压至约20巴的范围内的表压下。
在一些实施方案中，液态氨储存在约-40至约20℃的范围内的温度下和约0.5巴至约9巴的范围内的绝对压力下。
在一些实施方案中，系统还包括与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池。
在一些实施方案中，所述系统还包括与所述一个或多个反应器和所述一个或多个燃料电池流体连通的一种或多种吸附剂，其中所述一种或多种吸附剂被配置成从来自所述一个或多个反应器的出口流滤出或移除未转化的氨。
在一些实施方案中，所述一种或多种吸附剂被配置成向所述一个或多个燃料电池提供经过滤的反应器出口流。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池被配置成(i)从所述一种或多种吸附剂接收经过滤的反应器出口流，(ii)处理经过滤的反应器出口流以产生电力，和(iii)输出包含未转化的氢的燃料电池出口流。
在一些实施方案中，所述多个加热元件中的一个或多个加热元件与燃料电池出口流流体连通和/或热连通。
在一些实施方案中，所述一个或多个加热元件被配置成燃烧未转化的氢以便加热所述一种或多种催化剂。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括用于氨的一个或多个流动通道，其中所述一个或多个流动通道(i)围绕所述多个加热元件中的至少一个加热元件并(ii)允许所述氨的流围绕所述至少一个加热元件以促进加热元件与氨之间的热传递。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括邻近于所述多个加热元件的一个或多个流动通道，其中所述流动通道允许所述氨的流邻近于所述一个或多个加热元件或沿着所述一个或多个加热元件，以促进所述一个或多个加热元件与氨之间的热传递。
在一些实施方案中，所述一个或多个流动通道中的每一个相对于纵向轴线与所述一个或多个加热元件中的相应一个同心或同轴。
在一些实施方案中，所述多个加热元件与沿着所述一个或多个流动通道流动或流过所述一个或多个流动通道的氨流体连通和/或热连通。
在一些实施方案中，所述一个或多个流动通道设置在加热元件周围或邻近于加热元件设置以增强流场和加热均匀性。
在一些实施方案中，加热元件被配置成，在氨沿着设置在加热元件周围或邻近于加热元件设置的所述一个或多个流动通道流动或流过设置在加热元件周围或邻近于加热元件设置的所述一个或多个流动通道时，加热氨。
在一些实施方案中，所述至少一个燃烧加热器被配置成燃烧来自所述一个或多个反应器的出口流，以产生用于加热所述一个或多个反应器的热能。
在一些实施方案中，所述至少一个燃烧加热器被配置成燃烧来自与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂的出口流，以产生用于加热所述一个或多个反应器的热能。
在一些实施方案中，所述至少一个燃烧加热器被配置成燃烧来自与所述一个或多个反应器流体连通的所述一个或多个燃料电池的出口流，以产生用于加热所述一个或多个反应器的热能。
在一些实施方案中，所述至少一个燃烧加热器包括旋流燃烧器、扩散火焰燃烧器、微混合器燃烧器或其任何组合。
在一些实施方案中，所述至少一个燃烧加热器的排气可用于加热或预热氨。
在一些实施方案中，所述至少一个燃烧加热器被配置成燃烧空气和包含氢的燃烧燃料的混合物。
在一些实施方案中，所述至少一个燃烧加热器包括用于在所述至少一个燃烧加热器的燃烧区域的上游混合或预混合空气和燃烧燃料的一个或多个区。
在一些实施方案中，所述一个或多个区中的每一个被配置成燃烧或预燃烧空气和燃烧燃料的混合物的至少一部分，以在整个燃烧加热器中均匀地分布热量并降低局部热点温度。
在一些实施方案中，所述多个加热元件包括包括所述至少一个电加热器和所述至少一个燃烧加热器的混合加热单元。
在一些实施方案中，第一反应器包括所述至少一个电加热器，并且第二反应器包括所述至少一个燃烧加热器。
在一些实施方案中，第一反应器和第二反应器串联地流体连通，使得第一反应器的第一出口流进入第二反应器。
在一些实施方案中，第一反应器和第二反应器并联地流体连通，使得第一反应器的第一出口流和第二反应器的第二出口流合并以形成合并的出口流。
在一些实施方案中，所述一种或多种催化剂邻近于加热元件的一个或多个外表面和/或与加热元件的一个或多个外表面热连通地设置。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括选自圆形、椭圆形、卵形和包括三条边或更多条边的任何多边形的横截面形状。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括具有选自圆形、椭圆形、卵形和包括三条边或更多条边的任何多边形的横截面形状的一个或多个流动通道。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器中的每一个包括类似于所述一个或多个反应器的每个相应的反应器的流动通道的横截面形状的横截面形状。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器中的每一个包括不同于所述一个或多个反应器的每个相应的反应器的流动通道的横截面形状的横截面形状。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括(i)用于包含氨的重整气体的第一流动路径和(ii)用于由处理重整气体生成的重整物气体的第二流动路径。
在一些实施方案中，第一流动路径允许重整气体沿着所述多个加热元件的至少一部分流动。
在一些实施方案中，第二流动路径允许重整物气体流向反应器的一个或多个出口。
在一些实施方案中，第一流动路径和第二流动路径在不同的方向上取向。
在一些实施方案中，第一流动路径和第二流动路径彼此流体连通，以实现重整气体与重整物气体之间的热传递。
在一些实施方案中，所述系统还包括一个或多个热交换器。
在一些实施方案中，所述一个或多个热交换器被配置成在所述一个或多个反应器的出口流与来自所述一个或多个氨源的所述氨的流之间交换热量。
在一些实施方案中，所述一个或多个热交换器被配置成促进(i)来自所述一个或多个氨源的所述氨的流与(ii)与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池之间的热能传递，以便蒸发氨。
在一些实施方案中，所述系统还包括一个或多个控制单元以调制所述一个或多个反应器的出口流和/或所述多个加热元件的温度。
在一些实施方案中，所述一个或多个控制单元包括控制器和可操作地联接到控制器的一个或多个传感器。
在一些实施方案中，控制器被配置成至少部分地基于使用所述一个或多个传感器获得的一个或多个测量值来监测和控制(i)所述一个或多个反应器的温度、(ii)氨和/或氢的流动压力、和/或(iii)与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池的电输出。
在一些实施方案中，控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度来减小或增大去往所述至少一个燃烧加热器的空气流速、减小或增大去往所述至少一个燃烧加热器的燃烧燃料流速、或减小或增大去往所述至少一个燃烧加热器的空气流速和燃烧燃料流速两者。
在一些实施方案中，控制器被配置成使用风扇、鼓风机或压缩机来增大空气流速。
在一些实施方案中，控制器被配置成通过增大氨流速或减少燃料电池氢消耗来增大燃烧燃料流速。
在一些实施方案中，控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度来减小或增大所述一个或多个燃料电池的功率输出。
在一些实施方案中，控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度或一个或多个燃料电池的功率输出来增大去往所述一个或多个反应器的氨的流速。
在一些实施方案中，控制器被配置成使用阀和/或泵来增大氨的流速。
在一些实施方案中，所述系统被配置成以至少约50L/min STP的氨气的速率重整氨。
在一些实施方案中，控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度来增大或减小供给至所述至少一个电加热器的电功率。
在一些实施方案中，所述系统包括至少约600Wh/kg或至少约400Wh/L的能量密度。
在一些实施方案中，所述系统包括小于约30巴的操作压力。
在一些实施方案中，所述系统还包括变压吸附(PSA)单元以从所述一个或多个反应器的出口流移除氮。
在一些实施方案中，PSA位于或定位在与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂的下游。
在一些实施方案中，PSA单元产生包含氮和氢的排放流，其中所述排放流被供给至所述至少一个燃烧加热器。
在一些实施方案中，经过滤的反应器出口流包含小于约100ppm的氨。
在一些实施方案中，所述一种或多种吸附剂被配置成通过与嵌入在所述一种或多种吸附剂中的一个或多个电加热器、来自所述至少一个燃烧加热器的排气和/或来自所述一个或多个反应器的出口流交换热量来再生。
在一些实施方案中，所述一种或多种吸附剂可用一种或多种新的或再生的吸附剂替换。
在一些实施方案中，所述一种或多种催化剂包含载体和选自钌、镍、铑、铱、钴、铁、铂、铬、钯、钼、钽或铜的至少一种金属。
在一些实施方案中，所述一种或多种催化剂用选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Ba、Sr、La、Ce、Pr、Sm或Gd的至少一种金属促进。
在一些实施方案中，载体包含选自以下的至少一种材料：Al2O3、MgO、CeO2、ZrO2、La2O3、SiO2、Y2O3、TiO2、SiC、六角BN(氮化硼)、BN纳米管、碳化硅、一种或多种沸石、LaAlO3、CeAlO3、MgAl2O4、CaAl2O4或一种或多种碳纳米管。
在一些实施方案中，第一反应器被配置成开始氨的重整过程。
在一些实施方案中，使用所述至少一个电加热器或经过所述一种或多种催化剂的电流来开始重整过程。
在一些实施方案中，在开始重整过程之后停用所述至少一个电加热器或电流。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池消耗小于90％的来自所述一个或多个反应器的氢，并输出包含剩余的未转化的氢的一个或多个出口流。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器的操作温度小于900℃。
在一些实施方案中，所述系统还包括一个或多个泵以供给氨并增大氨的流动压力。
在一些实施方案中，所述系统不产生碳排放。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器的燃料重整或转化大于约90％。
在一些实施方案中，所述系统的有用电能输出效率的燃料热值为至少约25％且至多约50％。
在一些实施方案中，所述系统还包括一个或多个蓄电池、一个或多个DC/DC转换器和一个或多个马达以为移动载具提供动力。
在一些实施方案中，所述一个或多个蓄电池提供动力以启动系统。
在一些实施方案中，所述一个或多个蓄电池被配置成通过向所述至少一个电加热器供给功率来提供动力以启动系统。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于产生功率的一个或多个燃料电池，其中使用所述一个或多个燃料电池产生的功率在启动过程开始或完成之后对所述一个或多个蓄电池充电。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池为移动载具提供大体上稳定的功率或负载，并且所述一个或多个电池实现动态负载跟随能力。
在一些实施方案中，移动载具包括空中载具、无人驾驶空中载具、海上或水上载具或陆地载具。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于产生功率的一个或多个燃料电池，其中使用所述一个或多个燃料电池产生的功率被供给至固定或非移动平台或网络。
在一些实施方案中，固定或非移动平台或网络包括电网。
在一些实施方案中，所述多个加热元件至少部分地嵌入在所述一个或多个反应器中。
在另一个方面，本公开提供了一种系统，其包括：与一个或多个氨源流体连通的一个或多个反应器；和至少部分地定位在所述一个或多个反应器内的至少一个加热元件，其中所述一个或多个反应器包括围绕所述至少一个加热元件的多个通道，以增强从所述一个或多个氨源接收或由所述一个或多个氨源提供的氨的流场和加热均匀性，其中所述多个通道为氨提供邻近于所述至少一个加热元件的流动路径，以促进所述至少一个加热元件与氨之间的热能传递。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件包括用于加热氨的第一部分的第一加热元件和用于加热氨的第二部分的第二加热元件，其中所述多个通道包括(i)用于使氨的第一部分流过所述一个或多个反应器的第一通道和(ii)用于使氨的第二部分流过所述一个或多个反应器的第二通道。
在一些实施方案中，所述多个通道包括在(i)使用第一加热元件加热氨的第一部分和(ii)使用第二加热元件加热氨的第二部分期间彼此流体隔离的两个或更多个通道。
在一些实施方案中，所述多个通道包括沿着第一加热元件的一部分或在第一加热元件的一部分周围延伸的第一通道和沿着第二加热元件的一部分或在第二加热元件的一部分周围延伸的第二通道。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件包括电加热器或燃烧加热器。
在一些实施方案中，第一加热元件和第二加热元件包括燃烧加热器。
在一些实施方案中，第一加热元件包括燃烧加热器，并且其中第二加热元件包括电加热器。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件包括被配置成独立地操作的多个燃烧加热器。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件包括包括燃烧加热器和电加热器的混合加热单元。
在一些实施方案中，燃烧加热器和电加热器串联地布置。
在一些实施方案中，燃烧加热器和电加热器并联地布置。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成分解或裂化氨的一种或多种催化剂，其中所述至少一个加热元件被配置成加热所述一种或多种催化剂以促进氨的分解或裂化。
在一些实施方案中，所述一种或多种催化剂设置在所述至少一个加热元件的外侧或外部。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件包括一个或多个外表面，其中所述一种或多种催化剂邻近于所述至少一个加热元件的外表面和/或与所述至少一个加热元件的外表面热连通地设置。
在一些实施方案中，所述一种或多种催化剂位于或设置在所述多个通道内。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件被配置成在所述一个或多个反应器内提供多个加热区，其中所述多个加热区具有不同的温度和/或加热分布。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括(i)用于使氨经过所述一个或多个反应器以使用所述至少一个加热元件加热氨的第一流动路径；和(ii)用于将由氨的分解或裂化产生的重整物气体引导至所述一个或多个反应器的一个或多个出口的第二流动路径。
在一些实施方案中，第一流动路径和第二流动路径在不同的方向上取向。
在一些实施方案中，第一流动路径和第二流动路径邻近于彼此定位以实现(i)进入所述一个或多个反应器的氨与(ii)离开所述一个或多个反应器的重整物气体之间的热能传递。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件包括多个加热元件，每个加热元件具有用于氨的一个或多个专用流动通道，其中所述多个通道包括所述一个或多个专用流动通道。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件被配置成(i)控制所述一个或多个反应器的不同区域的温度和/或加热分布或(ii)调节所述一个或多个反应器内一个或多个加热区的位置以优化氨热重整效率和/或转化。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于分解氨的多种不同的催化剂，其中所述多种不同的催化剂与所述至少一个加热元件热连通。
在一些实施方案中，所述多种不同的催化剂包括具有第一组氨重整性质的第一催化剂和具有第二组氨重整性质的第二催化剂。
在一些实施方案中，第一催化剂和第二催化剂与不同的加热元件热连通。
在一些实施方案中，第一催化剂和第二催化剂与相同加热元件的不同位置或区域热连通。
在一些实施方案中，第一催化剂和第二催化剂与由所述至少一个加热元件产生的不同加热区热连通。
在一些实施方案中，所述一个或多个通道包括一个或多个挡板以引起湍流或混合、增加流动停留时间和/或增强流动均匀性和热传递。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成通过调制一个或多个流动控制单元来控制进入所述一个或多个通道中的所述氨的流的控制器。
在一些实施方案中，控制器被配置成基于所述至少一个加热元件的加热功率输入和/或所述至少一个加热元件的温度来控制氨的流动。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成控制所述至少一个加热元件的操作或温度的控制器。
在一些实施方案中，所述系统还包括在所述一个或多个反应器的一个或多个热出口流与一个或多个冷入口流之间的一个或多个热交换器。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器中的每一个被配置成以至少约50L/min STP的速率重整氨气。
在一些实施方案中，所述系统还包括：与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池，其中所述一个或多个燃料电池被配置成接收和处理从氨的分解生成的氢以产生电能。
在一些实施方案中，所述系统具有至少约600Wh/kg、至少约400Wh/L或两者的能量密度。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括多个反应器，其中所述多个反应器的第一反应器包括电加热器，并且其中所述多个反应器的第二反应器包括燃烧加热器，并且其中所述第一反应器和所述第二反应器彼此流体连通。
在一些实施方案中，第一反应器和第二反应器并联地布置使得第一反应器的第一出口流和第二反应器的第二出口流共同形成合并的出口流。
在一些实施方案中，第一反应器和第二反应器串联地布置使得第一反应器的第一出口流被配置成进入第二反应器。
在一些实施方案中，系统还包括与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池。
在一些实施方案中，所述系统还包括与所述一个或多个反应器和所述一个或多个燃料电池流体连通的一种或多种吸附剂，其中所述一种或多种吸附剂被配置成从来自所述一个或多个反应器的出口流滤出或移除未转化的氨。
在一些实施方案中，所述一种或多种吸附剂被配置成向所述一个或多个燃料电池提供经过滤的反应器出口流。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池被配置成(i)从所述一种或多种吸附剂接收经过滤的反应器出口流，(ii)处理经过滤的反应器出口流以产生电力，和(iii)输出包含未转化的氢的燃料电池出口流。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件与燃料电池出口流流体连通。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件被配置成燃烧未转化的氢以便加热设置在所述一个或多个反应器中的一种或多种催化剂。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成从所述一个或多个反应器的出口流移除氮的变压吸附(PSA)单元。
在一些实施方案中，PSA位于或定位在与所述一个或多个反应器流体连通的所述一种或多种吸附剂的下游。
在一些实施方案中，PSA单元产生包含氮和氢的排放流，其中所述排放流被供给至所述至少一个加热元件。
在一些实施方案中，所述系统还包括一个或多个热交换器。
在一些实施方案中，所述一个或多个热交换器被配置成在所述一个或多个反应器的出口流与来自所述一个或多个氨源的所述氨的流之间交换热能。
在一些实施方案中，所述一个或多个热交换器被配置成促进(i)所述一个或多个反应器的出口流与(ii)周围环境之间的热能传递以便冷却所述一个或多个反应器的出口流。
在一些实施方案中，所述一个或多个热交换器被配置成促进(i)来自所述一个或多个氨源的所述氨的流与(ii)与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池之间的热能传递，以便蒸发氨。
在一些实施方案中，所述一个或多个热交换器被配置成促进(i)来自所述一个或多个氨源的所述氨的流与(ii)周围环境之间的热能传递以便蒸发氨。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件被配置成燃烧来自所述一个或多个反应器的出口流以产生用于加热所述一个或多个反应器的热能。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件被配置成燃烧来自与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂的出口流以产生用于加热所述一个或多个反应器的热能。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件被配置成燃烧来自与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池的出口流以产生用于加热所述一个或多个反应器的热能。
在一些实施方案中，所述至少一个加热元件定位在所述一种或多种催化剂中。
在另一个方面，本公开提供了一种系统，其包括：一个或多个反应器，其被配置成将提供给所述一个或多个反应器的氨至少部分地分解以产生氢、氮和/或氨；和与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池，其中所述一个或多个燃料电池被配置成接收和处理氢以产生电能，其中所述一个或多个反应器和所述一个或多个燃料电池被配置成安装在空中载具上或安装到空中载具，其中所述一个或多个燃料电池与空中载具的一个或多个马达或驱动单元电连通，以驱动空中载具的所述一个或多个马达或驱动单元。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器和所述一个或多个燃料电池被配置成作为氨动力包(powerpack)单元操作。
在一些实施方案中，氨动力包单元具有小于约100千克的重量。
在一些实施方案中，氨动力包单元具有小于约200升的体积。
在一些实施方案中，氨动力包单元具有至少约600瓦时/千克或至少约400瓦时/升的能量密度。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括第一反应器和与第一反应器流体连通的第二反应器。
在一些实施方案中，第一反应器被配置成将提供给所述一个或多个反应器的氨的至少一部分分解以产生氢、氮和/或氨。
在一些实施方案中，第二反应器被配置成燃烧来自第一反应器的出口流的至少一部分以加热或预热第二反应器，其中来自第一反应器的出口流包含氢和氨或氮中的至少一种。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成提供热能以至少部分地分解氨的一个或多个加热元件。
在一些实施方案中，所述系统还包括与所述一个或多个加热元件热连通的一种或多种催化剂，其中所述一种或多种催化剂被配置成促进氨的分解。
在一些实施方案中，所述一个或多个加热元件包括一个或多个电加热器和/或燃烧器。
在一些实施方案中，所述一个或多个加热元件包括与所述一个或多个燃料电池流体连通的燃烧器，其中所述燃烧器被配置成燃烧来自所述一个或多个燃料电池的出口流以加热所述一个或多个反应器，其中所述出口流包含未转化的氢。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成基于从所述一个或多个燃料电池输出的期望功率来控制提供给所述一个或多个反应器的所述氨的流的控制器。
在一些实施方案中，所述系统还包括与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂，其中所述一种或多种吸附剂被配置成处理来自所述一个或多个反应器的出口流以从所述出口流滤出或移除氨，其中所述出口流包含至少氢和/或氮。
在一些实施方案中，吸附剂与所述一个或多个燃料电池流体连通，并且其中吸附剂被配置成在从所述一个或多个反应器的出口流滤出或移除氨之后将氢和/或氮引导至所述一个或多个燃料电池。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池与电负载和/或一个或多个蓄电池连通。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池被配置成向与电负载连通的一个或多个蓄电池供给功率。
在一些实施方案中，电负载包括空中载具的一个或多个马达或驱动单元。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于进行所述一个或多个反应器的启动、所述一个或多个反应器的电预热和/或动态负载跟随的一个或多个电池。
在一些实施方案中，启动在约30分钟或更短时间内发生。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于为空中载具的所述一个或多个马达或驱动单元提供动力的辅助电池。
在一些实施方案中，所述系统还包括能够在操作期间对辅助电池充电的一个或多个燃料电池。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于(i)冷却所述一个或多个反应器的出口流和/或(ii)气化或加热从一个或多个燃料储罐去往所述一个或多个反应器的氨流的一个或多个热交换器。
在一些实施方案中，所述系统还包括用于储存氨和将氨提供给所述一个或多个反应器的一个或多个燃料储罐，其中所述一个或多个燃料储罐安装在空中载具上。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池与所述一个或多个燃料储罐热连通以促进从燃料电池向燃料储罐的热能传递以加热和/或蒸发氨。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池与一个或多个热交换器热连通以促进从燃料电池向所述一个或多个热交换器的热能传递以加热和/或蒸发氨。
在一些实施方案中，所述一个或多个热交换器与来自所述一个或多个燃料电池的出口流热连通以冷却热交换器和/或来自所述一个或多个反应器的出口流。
在一些实施方案中，所述一个或多个热交换器与周围环境热连通以冷却所述一个或多个热交换器。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成调制(i)去往所述一个或多个反应器的氨流或(ii)去往所述一个或多个燃料电池的氢流的控制器。
在一些实施方案中，控制器被配置成通过调制氨或氢的流动来提供动态功率控制。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器中的每一个被配置成每分钟分解至少约30升STP的氨气。
在一些实施方案中，所述系统还包括可操作地联接到所述控制器的一个或多个传感器，其中所述控制器被配置成基于使用所述一个或多个传感器获得的一个或多个测量值来监测所述一个或多个反应器的温度、氨的流动压力或流速、氢的流动压力或流速和/或所述一个或多个燃料电池的电输出。
在一些实施方案中，控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度来增加空气供给单元功率以增加去往所述一个或多个反应器的一个或多个燃烧器的空气流速。
在一些实施方案中，控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度来调节氨流动压力以增大氨流速和向所述一个或多个反应器的一个或多个燃烧器提供额外的氢。
在一些实施方案中，控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度来增大氨流动压力以增大氨流速以向所述一个或多个反应器的一个或多个燃烧器提供额外的氢。
在一些实施方案中，控制器被配置成调制与包含氨的一个或多个燃料储罐流体连通的一个或多个阀以维持或达到对应于所需氨流速和功率输出的阈值压力点。
在另一个方面，本公开提供了一种方法，其包括：(a)使用一个或多个反应器处理氨以产生或生成氢，其中所述一个或多个反应器包括(i)一种或多种催化剂和(ii)与所述一种或多种催化剂热连通的多个加热元件，其中所述多个加热元件包括至少一个电加热器和至少一个燃烧加热器；和(b)将氢提供给一个或多个燃料电池以产生电能。
在一些实施方案中，所述一个或多个反应器包括第一反应器和与第一反应器流体连通的第二反应器。
在一些实施方案中，第一反应器包括(i)所述一种或多种催化剂的第一催化剂和(ii)被配置成加热第一催化剂的启动加热和重整单元，其中所述第一催化剂被配置成从氨产生或提取氢。
在一些实施方案中，启动加热和重整单元包括所述至少一个电加热器。
在一些实施方案中，所述至少一个电加热器包括用于使电流经过第一催化剂以加热第一催化剂的一个或多个电极。
在一些实施方案中，第二反应器包括(i)所述一种或多种催化剂的第二催化剂和(ii)被配置成加热第二催化剂的一个或多个主加热单元，其中所述第二催化剂被配置成从氨产生或提取氢。
在一些实施方案中，所述一个或多个主加热单元包括所述至少一个燃烧加热器。
在一些实施方案中，所述至少一个燃烧加热器被配置成通过燃烧使用第一反应器生成的氢的至少一部分来加热第二催化剂的至少一部分。
在一些实施方案中，所述方法还包括在(b)之后将电能提供给电负载和/或一个或多个蓄电池。
在一些实施方案中，所述方法还包括在(b)之前从来自所述一个或多个反应器的出口流过滤或移除未转化的氨。
在一些实施方案中，使用一种或多种吸附剂从出口流过滤或移除未转化的氨以产生经过滤的反应器出口流。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池被配置成(i)从所述一种或多种吸附剂接收经过滤的反应器出口流，(ii)处理经过滤的反应器出口流以产生电能，和(iii)输出包含未转化的氢的燃料电池出口流。
在一些实施方案中，所述方法还包括燃烧来自所述一个或多个燃料电池的未转化的氢以便加热所述一种或多种催化剂。
在一些实施方案中，使用所述多个加热元件中的一个或多个来燃烧未转化的氢。
在一些实施方案中，所述方法还包括燃烧来自所述一个或多个反应器的出口流以产生用于加热所述一个或多个反应器或所述一种或多种催化剂的热能。
在一些实施方案中，所述方法还包括燃烧来自与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂的出口流以产生用于加热所述一个或多个反应器或所述一种或多种催化剂的热能。
在一些实施方案中，所述方法还包括使用热交换器来促进(i)所述一个或多个反应器的出口流与(ii)来自一个或多个氨源的所述氨的流之间的热能传递。
在一些实施方案中，所述方法还包括使用热交换器来促进(i)来自一个或多个氨源的所述氨的流与(ii)来自所述一个或多个燃料电池的出口流之间的热能传递以蒸发氨。
在一些实施方案中，所述方法还包括使用控制器来调制所述一个或多个反应器的出口流和/或所述多个加热元件的温度。
在一些实施方案中，所述方法还包括使用控制器来监测和控制(i)所述一个或多个反应器的温度、(ii)氨和/或氢的流动压力和/或(iii)所述一个或多个燃料电池的电输出。
在一些实施方案中，所述方法还包括使用控制器基于所述一个或多个反应器的温度来调节去往所述至少一个燃烧加热器的空气流速、去往所述至少一个燃烧加热器的燃烧燃料流速或去往所述至少一个燃烧加热器的空气流速和燃烧燃料流速两者。
在一些实施方案中，所述方法还包括使用控制器基于所述一个或多个反应器的温度来调制所述一个或多个燃料电池的功率输出或氢消耗。
在一些实施方案中，所述方法还包括使用控制器基于所述一个或多个反应器的温度和/或燃料电池功率输出来调制去往所述一个或多个反应器的氨的流速。
在一些实施方案中，所述方法还包括使用变压吸附(PSA)单元来从所述一个或多个反应器的出口流移除氮。
在一些实施方案中，PSA位于或定位在与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂的下游。
在一些实施方案中，PSA单元产生包含氮和氢的排放流，其中所述排放流被供给至所述至少一个燃烧加热器。
在一些实施方案中，所述方法还包括使用第一反应器来开始氨的重整过程。
在一些实施方案中，开始重整过程包括提供电流经过所述一种或多种催化剂的至少一部分或所述一个或多个电加热器的至少一部分以加热所述一种或多种催化剂并促进氨的分解或裂化。
在另一个方面，本公开提供了一种系统，其包括：包括多个反应器的氨处理单元，其中所述多个反应器包括一个或多个电反应器，其中所述一个或多个电反应器被配置成(i)处理氨以生成氢和(ii)将所述氢的至少一部分提供给一个或多个燃烧反应器和/或与所述一个或多个电反应器和/或所述一个或多个燃烧反应器流体连通的一个或多个燃料电池。
在一些实施方案中，所述系统还包括所述一个或多个燃烧反应器。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧反应器被配置成燃烧氢以加热所述一个或多个燃烧反应器至预定的阈值温度。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧反应器被配置成(i)处理氨以生成一个或多个燃烧反应器出口流和(ii)将所述一个或多个燃烧反应器出口流提供给所述一个或多个燃料电池。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧反应器包括一个或多个旋流燃烧器，其被配置成混合或旋流(i)包含燃烧燃料的第一流与(ii)包含空气的第二流以促进燃烧燃料的燃烧以便加热所述一个或多个燃烧反应器，任选地其中所述燃烧燃料包含氢。
在一些实施方案中，所述一个或多个旋流燃烧器包括用于沿着一个或多个螺线或螺旋流动路径引导第一流和第二流以增强燃料的燃烧的一个或多个流动通道。
在一些实施方案中，使用电功率源加热或预热所述一个或多个电反应器。
在一些实施方案中，所述系统还包括热交换器，其被配置成促进(i)去往氨处理单元的所述氨的入流与(ii)来自所述一个或多个燃烧反应器的一个或多个出口流之间的热能传递以便预热和/或蒸发氨。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧反应器被配置成(i)加热或预热氨和(ii)将经加热或预热的氨提供给所述一个或多个电反应器或一个或多个燃烧反应器以处理氨生成氢。
在一些实施方案中，所述系统还包括所述一个或多个燃料电池。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池被配置成处理(i)由所述一个或多个电反应器产生的氢和/或(ii)由所述一个或多个燃烧反应器产生的氢以产生电力。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池被配置成产生包含未转化的氢的一个或多个燃料电池出口流。
在一些实施方案中，所述一个或多个燃烧反应器被配置成利用未转化的氢作为燃烧燃料以促进氨分解并维持自维持的自热重整。
在一些实施方案中，所述多个反应器以串联配置布置。
在一些实施方案中，所述多个反应器以并联配置布置。
在一些实施方案中，所述多个反应器以模块配置设置。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成控制氨处理单元的操作以调节所述一个或多个燃料电池的入口处的流体压力的控制单元。
在一些实施方案中，所述系统还包括被配置成控制氨处理单元的操作以调节去往所述一个或多个燃料电池的流体流速的控制单元。
在一些实施方案中，氨处理单元还包括用于调节氨处理单元的输出或操作的一个或多个阀、泵、风扇、鼓风机或压缩机。
在一些实施方案中，氨处理单元被配置成处理用于一个或多个移动应用或平台的氨。
在一些实施方案中，氨处理单元被配置成处理用于一个或多个固定应用或平台的氨。
在一些实施方案中，氨处理单元被配置成附接、联接或安装到载具。
在一些实施方案中，氨处理单元被配置成与载具的一个或多个电气或机械部件集成。
在另一个方面，本公开提供了一种方法，其包括：(a)将电反应器加热至第一目标温度；(b)使用所述电反应器重整氨以产生包含至少氢的燃料；(c)通过燃烧(b)中产生的燃料来将燃烧反应器加热至第二目标温度；和(d)向燃烧反应器提供另外的氨，其中所述燃烧反应器被配置成(i)分解所述另外的氨以生成另外的氢和(ii)将所述另外的氢提供给一个或多个燃料电池。
在一些实施方案中，燃烧反应器被配置成用于在第二温度下自维持自热重整。
在一些实施方案中，所述方法还包括在(c)之后关闭电反应器的电加热器。
在一些实施方案中，(c)还包括关闭电反应器的电加热器。
在一些实施方案中，所述方法还包括基于燃烧反应器的温度或燃烧反应器的氨转化效率控制电反应器的操作。
在一些实施方案中，所述方法还包括基于燃烧反应器的温度或燃烧反应器的氨转化效率控制去往电反应器或燃烧反应器的氨的流速。
在一些实施方案中，所述方法还包括基于燃烧反应器的温度或燃烧反应器的氨转化效率控制来自燃烧反应器的出口流速。
在一些实施方案中，所述方法还包括基于燃烧反应器的温度或燃烧反应器的氨转化效率控制去往燃烧反应器的空气流速。
在一些实施方案中，所述方法还包括在(d)之后将来自所述一个或多个燃料电池的出口流引导至燃烧反应器以促进所述另外的氨的分解。
在一些实施方案中，来自所述一个或多个燃料电池的出口流包含未转化的氢。
在一些实施方案中，所述方法还包括控制去往燃烧反应器的空气流速或氨流速以达到或维持预定的温度范围。
在一些实施方案中，所述方法还包括在(b)和/或(c)之前预热氨。
在一些实施方案中，使用燃烧反应器或电反应器预热氨。
在一些实施方案中，使用来自燃烧反应器的出口流预热氨。
在一些实施方案中，使用燃烧产物气体预热氨。
在一些实施方案中，氨和燃烧产物气体之间以逆向流动或并联流动交换热量。
本公开的另一个方面提供了一种包括机器可执行代码的非暂时性计算机可读介质，其在由一个或多个计算机处理器执行时实施上文或本文别处的任何方法。
本公开的另一个方面提供了一种系统，其包括一个或多个计算机处理器和与其联接的计算机存储器。所述计算机存储器包括机器可执行代码，其在由所述一个或多个计算机处理器执行时实施上文或本文别处的任何方法。
根据以下详细描述，本公开的另外的方面和优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见，以下详细描述中仅示出和描述了本公开的示意性实施方案。如将认识到的，本公开能够具有其他和不同的实施方案，并且其若干细节能够在各个明显的方面进行修改，所有这些都不脱离本公开。因此，附图和描述在本质上应视为示意性的，而不是限制性的。
通过引用并入
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请都通过引用并入本文，其引用的程度犹如每个个别出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指出通过引用并入。如果通过引用并入的出版物和专利或专利申请与本说明书中包含的公开内容相矛盾，则本说明书旨在取代和/或优先于任何此类矛盾的材料。
附图说明
本发明的新颖特征在附随的权利要求书中具体阐述。将通过参考以下阐述利用本发明的原理的示意性实施方案的详细描述以及附图(在本文中也称“图”和“FIG.”)来获得对本发明的特征和优点的更好理解，其中：
图1示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于处理氨以生成氢燃料的示例性系统。
图2示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的使用液体化学品储存氢的示例性方法。
图3示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的使用氨作为氢载体。
图4示意性地示意了与其他类型的燃料相比氨作为能量载体和氨的各种密度特性。
图5示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的使用氨作为燃料电池的燃料的动力系统。在本公开的一个或多个实施方案中，动力系统可以包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)
图6示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于示例性氨动力包的系统架构。
图7A示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的电加热快速启动反应器的实例。
图7B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的包括一个或多个导电弹簧的电加热快速启动反应器的实例。
图8示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的包括一个或多个导电弹簧的快速启动反应器的气体温度随时间变化的曲线图。
图9示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的可用于快速启动反应器的催化剂材料的各种增强和处理。
图10示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的启动反应器的启动时间模拟数据。
图11示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的启动反应器的氨转化模拟数据。
图12示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的启动反应器的模块化设计的实例。
图13示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的启动反应器的瞬态时间和瞬态反应器温度数据。
图14示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有混合加热的主反应器的实例。
图15A和15B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的本发明系统和方法的反应器热重整效率、吸热分数、氢燃烧分数和功率输出燃料电池数据。
图16示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的本发明系统和方法的混合加热模拟数据。
图17示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的本发明系统和方法的加热功率比模拟数据。
图18示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的被编程成或以其他方式被配置成实施本发明系统和方法的计算机系统。
图19-25示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的氨处理系统和氨动力包系统的系统架构的各种实例。
图26-35示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的氨动力包系统的封装和组装的各种示例性配置。
图36A至36C示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于向燃烧器供给可燃氢气的配置。
图37A至37C示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于向燃烧器供给空气的配置。
图38A和38B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于接触空气和燃料的燃烧器设计。
图39示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有多个空气和燃料接触点的燃烧器设计。
图40A和40B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器和反应器设计的外视图和横截面内视图。
图40C示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的包括被配置用于在反应器内燃烧的燃烧器的系统。
图40D示出了根据本公开的一个或多个实施方案的包括被配置用于在反应器内燃烧的燃烧器的系统的照片。
图41A和41B示出了反应器热重整效率和燃烧器效率随NH3流速变化的实验测量结果，该实验用图40C中示出的设计进行。
图42示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的包括部分地嵌入在反应器内的两个燃烧器的设计。
图43示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用模拟求解的燃烧器设计的温度分布。
图44示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用模拟求解的燃烧器设计的温度分布。
图45A和45B示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用模拟求解的燃烧器设计的温度分布。
图46A和46B示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用模拟求解的燃烧器设计的温度分布和氢质量分布。
图47示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器和反应器的示例性设计。
图48示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器和反应器的示例性设计。
图49示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的氨处理系统的系统架构配置的实例。
图50示出了根据本公开的一个或多个实施方案的氨动力包系统的数码呈现。
图51示出了根据本公开的一个或多个实施方案的安装在空中载具上的氨动力包系统的数码呈现。
图52示出了根据本公开的一个或多个实施方案的安装在空中载具上的氨动力包系统。
图53示出了根据本公开的一个或多个实施方案的在飞行中同时由氨动力包系统提供动力的空中载具。
图54示出了根据本公开的一个或多个实施方案的包括氨动力包系统的空中载具的功率分布。
图55A和55B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有圆形横截面的反应器的外视图和内视图。
图56示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有圆形横截面的反应器的顶视图和内视图。
图57A和57B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有正方形横截面的反应器的外视图和内视图。
图58A和58B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有正方形横截面的反应器的顶视图和内视图。
图59A和59B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有高温高效催化剂和低温高效催化剂两者的反应器的外视图和内视图。
图60示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的在反应器的流动通道中的气体流动路径。
图61示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有各种形状和配置的反应器的数码呈现。
图62A-62D示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有不同尺寸的各种反应器设计的数码呈现。
图63A和63B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的反应器热重整效率和氨转化随通过反应器的氨流速的变化。
图64A和64B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于在启动和操作期间处理氨的系统配置。
图65示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于在启动期间处理氨的系统配置。
图66示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于在操作期间处理氨的系统配置。
图67示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的系统反应器和/或热箱配置的实例。
图68示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的系统反应器和/或热箱配置的实例。
图69示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的系统反应器和/或热箱配置的实例。
图70示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的启动期间系统反应器和/或热箱配置的实例。
图71示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的启动期间系统反应器和/或热箱配置的实例。
图72示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的操作期间系统反应器和/或热箱配置的实例。
图73示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的操作期间系统反应器和/或热箱配置的实例。
图74示出了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧燃烧器头设计。
图75A-75B示出了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器头设计。
图76A-76B示出了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器头设计。
图77示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有燃烧器头的燃烧管中的流动模拟。
图78示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有燃烧器头的燃烧管中的流动模拟。
图79示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有燃烧器头的燃烧管中的流动模拟。
图80A示出了根据本公开的一个或多个实施方案的氨动力包。
图80B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有安装的动力包的牵引机。
图81A-81B分别示出了具有燃料电池的集成动力包的电压对电流和功率对电流。
图82示出了根据本公开的一个或多个实施方案的使用控制器进行系统控制的框图。
图83示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动过程的过程流程图。
图84示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动过程的过程流程图。
图85示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动过程的过程流程图。
图86示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动过程的过程流程图。
图87示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动后操作过程的过程流程图。
图88示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动后操作过程的过程流程图。
具体实施方式
虽然本文已经示出和描述了本发明的各种实施方案，但对于本领域技术人员来说显而易见的是，这样的实施方案仅作为实例提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以想到许多变化、改变和置换。应理解，可以采用本文描述的本发明的实施方案的各种替代方案。
每当术语“至少”、“大于”或“大于或等于”出现在一系列两个或更多个数值中的第一个数值之前时，术语“至少”、“大于”或“大于或等于”可以适用于该系列数值中的每个数值。例如，大于或等于1、2或3可以等同于大于或等于1、大于或等于2、或者大于或等于3。
每当术语“不大于”、“小于”或“小于或等于”出现在一系列两个或更多个数值中的第一个数值之前时，术语“不大于”、“小于”或“小于或等于”可以适用于该系列数值中的每个数值。例如，小于或等于3、2或1可以等同于小于或等于3、小于或等于2、或者小于或等于1。
术语“A和B中的至少一个”和“A或B中的至少一个”可以理解为意指仅A、仅B或A和B两者。术语“A和/或B”可以理解为意指仅A、仅B或A和B两者。
如本文可互换地使用的，术语“实时(real time/real-time)”通常是指可以使用最近获得(例如，收集或接收)的数据进行的事件(例如，操作、过程、方法、技术、运算、计算、分析、可视化、优化等)。在一些情况下，实时事件可以几乎立即或在足够短的时间跨度内进行，如在至少0.0001毫秒(ms)、0.0005ms、0.001ms、0.005ms、0.01ms、0.05ms、0.1ms、0.5ms、1ms、5ms、0.01秒、0.05秒、0.1秒、0.5秒、1秒或更长时间跨度内进行。在一些情况下，实时事件可以几乎立即或在足够短的时间跨度内进行，如在至多1秒、0.5秒、0.1秒、0.05秒、0.01秒、5ms、1ms、0.5ms、0.1ms、0.05ms、0.01ms、0.005ms、0.001ms、0.0005ms、0.0001ms或更短时间跨度内进行。
术语“分解”、“解离”、“重整”、“裂化”和“破裂”以及它们的语法变体可以互换地解释。例如，表达“氨的分解”可以与“氨的解离”、“氨的重整”、“氨的裂化”等互换。
术语“加热器”、“加热元件”和“加热单元”以及它们的语法变体可以互换地解释。例如，表达“电加热器”可以与“电加热单元”、“电加热元件”等互换。
术语“燃烧加热器”和“燃烧器”以及它们的语法变体可以互换地解释。
术语“反应器”、“重整器”和“反应器模块”以及它们的语法变体可以互换地解释。例如，表达“电反应器”可以与“电反应器模块”互换。
术语“燃烧反应器”、“燃烧加热反应器”、“燃烧器反应器”和“C-反应器”以及它们的语法变体可以互换地解释。
术语“电反应器”、“电加热反应器”和“E-反应器”以及它们的语法变体可以互换地解释。
术语“控制器”和“控制器单元”以及它们的语法变体可以互换地解释。
术语“氨转化”、“氨转化率”和“氨转化效率”以及它们的语法变体可以理解为转化为氢和氮的氨的分数，并且可以互换地解释。例如，90％的“氨转化”、“氨转化率”或“氨转化效率”可以表示90％的氨被转化为氢和氮。
术语“自热重整”可以解释为其中使用由氨分解反应本身产生的氢的至少一部分通过氢燃烧反应(2H2+O2→2H2O；放热反应)加热氨分解反应(2NH3→N2+3H2；吸热反应)的情况。在一些情况下，术语“自热重整”可以解释为其中使用由氨分解反应本身产生的氢的至少一部分通过氢燃烧反应、电加热或两者的组合加热氨分解反应的情况，这可以导致总体上正的电能和/或化学能输出。例如，如果使用氢燃烧反应和/或电加热进行“自热重整”，则由氨分解反应产生的氢可足以提供与燃烧燃料的氢燃烧反应，和/或经由氢电转换装置(例如，燃料电池、燃烧发动机等)为电加热提供电能。在一些情况下，提供用于氢燃烧反应的氢和/或提供用于电加热的电力以进行“自热重整”可以使用或不使用来自氨分解反应的氢(例如，氢可以由单独的氢源提供，电力可以由电池或电网等提供)。在一些情况下，“自热重整”可以解释为其中通过燃烧反应(例如，氨燃烧、烃燃烧等)、电加热或两者的组合加热氨分解反应的情况，这可以导致总体上正的电能和/或化学能输出。例如，如果使用燃烧反应和/或电加热进行“自热重整”，则来自由氨分解反应产生的氢的化学能(例如，低位热值)可以高于燃烧燃料化学能(例如，低位热值)和/或可以足以经由氢电转换装置(例如，燃料电池、燃烧发动机等)为电加热提供电能。
反应器
在一个方面，本公开提供了一种用于处理源材料的系统。所述系统可以包括反应器或重整器。源材料可以被处理以产生燃料源。燃料源可以包含例如氢和/或氮。燃料源可以被提供给具有一个或多个进气口的一个或多个氢燃料电池，所述氢燃料电池可以被配置成使用燃料源来产生电能。这样的电能可以用于为各种系统、载具和/或装置提供动力。
另外地或替代地，燃料源可以被提供给一个或多个内燃发动机(ICE)，所述内燃发动机可以被配置成消耗燃料源以产生机械能(以为动力传动系统、螺旋桨或其他推进装置提供动力)和/或电能(以为电网或电池提供动力)。燃料源可以与另一燃料组合地提供给ICE，使得ICE作为双燃料(DF)发动机运行。例如，DF ICE可以燃烧氢与氨、氢与柴油、氢与天然气等。
图1示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于处理源材料以产生电能的示例性方法的框图。可以将源材料110提供给反应器120。源材料110可以是包含一个或多个氢原子的化合物。该化合物可以是例如氨(NH3)。在一些情况下，该化合物可以包含烃CxHy。可以将源材料110提供给反应器120。源材料110可以处于气态和/或液态。反应器120可以被设计成或被配置成处理源材料110以从源材料110提取、产生或释放燃料源130。在一些情况下，处理源材料110可以包括使用本公开的系统和方法加热源材料110以提取、产生或释放燃料源130。燃料源130可以包含氢和/或氮。燃料源130可以被提供给一个或多个燃料电池以用于产生电能。这样的电能可以用于为各种系统、载具和/或装置提供动力，包括例如陆地、空中或水上载具。
如上所述，可以使用一个或多个燃料电池来从燃料源130产生电能，燃料源可以包含氢和/或氮。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以通过燃料源130与氧(O2)之间的电化学反应产生电力。燃料可以包含燃料源130中的氢和/或氮。由燃料电池产生的电力可以被用于为一个或多个系统、载具或装置提供动力。在一些实施方案中，由燃料电池产生的多余电力可以被储存在一个或多个能量储存单元(例如，电池)中以供将来使用。在一些任选的实施方案中，燃料电池可以作为较大电化学系统的一部分提供。电化学系统还可包括电解模块。所述一个或多个燃料电池的副产物(例如，水)的电解可以允许通过将副产物分解成一种或多种构成元素(例如，氧和/或氢)来移除副产物。副产物的电解也可以为所述一个或多个燃料电池生成额外的燃料(例如，氢)。在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池可以作为多个燃料电池(即，燃料电池阵列)操作，使得输出功率可扩展(例如，扩展至50千瓦、500千瓦或数兆瓦)。在本文描述的任何实施方案中，所述一个或多个燃料电池可以被配置成从氢源接收氢。氢源可以包括如本文别处所述的一个或多个反应器或重整器。在一些非限制性实施方案中，氢源可以不包括或不需要包括反应器或重整器。例如，氢源可以包括氢储罐。氢储罐可以或可以不流体地连接至反应器或重整器。在一些情况下，氢源可以包括氢生成系统或子系统。在本文描述的任何实施方案中，所述一个或多个燃料电池可以被配置成输出电能和/或将出口流提供给一个或多个反应器、重整器、热交换器或本文所述的系统的任何其他部件以促进氨分解过程，而不管用于向所述一个或多个燃料电池提供或供给氢的氢源的类型如何。
图2示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的使用液体化学品储存氢的示例性方法。氢，无论是通过可再生能源的电解产生的(例如，绿氢)还是通过烃重整产生的(例如，蓝氢或灰氢)，都可以使用一种或多种液体化学品来储存。在一些非限制性实施方案中，所述一种或多种液体化学品可以包括例如氨、液体有机氢载体(LOHC)、甲酸(HCOOH)或甲醇(CH3OH)。所述一种或多种液体化学品可以以富氢形式或贫氢形式储存。包含氢的所述一种或多种液体化学品可以如本文别处所述处理以释放储存在液体化学品中的氢。一旦释放，氢就可以用于动力发生(例如，固定或便携式动力发生)，或者可以提供给氢燃料加注站。
图3示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的使用氨作为氢载体。可以使用氢化来将氢储存在所述一种或多种液体化学品中。氢化可以指用分子氢(H2)处理材料或物质以将一对或多对氢原子添加至构成材料或物质的各种构成化合物(例如，一种或多种不饱和化合物)。氢化可以使用催化剂进行，这可以使得反应能够在更接近标准温度和压力(例如，室温和海平面大气压)的条件下发生。在一些情况下，可以使用Haber-Bosch法(一种人工固氮法)来生产氨。该方法可用于通过使用金属催化剂在高温高压下与氢(例如，通过电解产生或获得的H2)反应来将大气中的氮(N2)转化成氨(NH3)：
如上所述，可以使用Haber-Bosch法来生产氨，其可以用作氢载体。使用氨作为氢载体可以提供优于储存和运输纯氢的若干益处，包括易于在相对标准的条件下(0.8MPa，20℃，以液体形式)储存并且运输方便。氨还具有相对高的氢含量(17.7重量％或120克H2/升液体氨)。此外，使用Haber-Bosch法生产氨可以由可再生能源(例如，太阳能光伏、太阳能热、风力涡轮机和/或水电)提供动力，这使得生产过程环境安全且友好，因为N2是唯一的副产物并且没有更多的CO2排放。一旦产生氨，就可以对氨进行处理以通过脱氢过程(即，通过解离、分解、重整或裂化氨)释放氢。然后可以将所释放的氢提供给一个或多个燃料电池，如具有质子传导聚合物电解质膜的质子交换膜燃料电池(PEMFC)(即，聚合物电解质膜[PEM]燃料电池)。PEMFC可以具有相对低的操作温度和/或压力范围(例如，约50至100℃)。质子交换膜燃料电池可以用于将氢和氧的电化学反应期间释放的化学能转换成电能，而不是氢气和氧气直接燃烧产生热能。PEMFC可以产生电力并以与消耗电力的PEM电解相反的原理工作。在一些实施方案中，所述一个或多个燃料电池可以是固体氧化物燃料电池(SOFC)、高温PEM(HTPEM)或碱性燃料电池(AFC)。本文公开的方法和系统可以被实施以实现热高效的氢产生，并且可以被扩展以应用于高能量密度动力系统。
图4示意性地示意了与其他类型的燃料相比氨作为能量载体和氨的各种密度特性。NH3的H2储存能力为约17.7重量％和120克H2/升氨。与氢等其他燃料类型相比，鉴于其重量密度，氨表现出有利的体积密度。此外，与其他类型的燃料(包括碳基燃料如甲烷、丙烷、甲醇、乙醇、汽油、E-10汽油、JP-8喷气燃料或柴油)相比，使用氨作为燃料可能不会产生有害排放物如CO2、CO或黑碳(烟灰)，并且可能产生零或可忽略不计的NOx(例如，NO2或N2O)排放(尤其是与选择性催化还原[SCR]催化剂组合)。因此，使用氨作为能量载体允许，一旦氨被分解成氢，当前公开的系统和方法的一些实施方案利用氢燃料的益处(例如，环境安全且重量能量密度高)，同时利用(a)与氢相比氨的更大体积密度和(b)在标准温度和压力下输送氨的能力而不需要通常用于储存和输送氢的复杂且高度加压的储存容器。
在一些情况下，氨可以被包含或储存在液体燃料储罐中。在一些情况下，氨可以作为液态氨储存。在一些情况下，液态氨可以被储存在约15至约30℃的范围内的温度下和7至12巴的范围内的绝对压力下。在一些情况下，液态氨可以被储存在约大气压至约20巴的范围内的表压下。在一些情况下，液态氨可以被储存在约-40至约20℃的范围内的温度下和约0.5巴至约9巴的范围内的绝对压力下。在一些情况下，液态氨可以被储存在至少约-60、-50、40、-30、-20、-10、0、10、20、30、40、50或60摄氏度的温度下。在一些情况下，液态氨可以被储存在至多约-60、-50、40、-30、-20、-10、0、10、20、30、40、50或60摄氏度的温度下。在一些情况下，液态氨可以被储存在至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35或40巴的绝对压力下。在一些情况下，液态氨可以被储存在至多约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45或50巴的绝对压力下。
图5示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的使用氨作为燃料源来生成氢的动力系统，该氢可以被提供给一个或多个燃料电池(例如，质子交换膜燃料电池[PEMFC])以产生电能。动力系统可以包括被配置成进行氨的催化分解或裂化以提取和/或产生氢的重整器。这样的重整器可以使用热能来操作。在一些情况下，动力系统可以包括产生热能来驱动重整器的操作的燃烧器。在一些情况下，热能可以由化合物(例如，氢或烃)的燃烧产生。使用重整器生成和/或提取的氢可以被提供给一个或多个燃料电池，其可以产生电能来为需要电能来操作的一个或多个系统、子系统或装置提供动力。在一些情况下，使用重整器生成和/或提取的氢可以被提供给一个或多个其他反应器或重整器。在这样的情况下，所述一个或多个其他反应器或重整器可以被配置成燃烧氢以产生热能。这样的热能可以被用于加热所述一个或多个其他反应器或重整器以促进氨的进一步催化分解或裂化以提取和/或产生额外的氢。
快速启动反应器模块
在一些实施方案中，本公开的系统可以包括动力包和负载跟随模块。动力包和负载跟随模块可以促进催化剂的热传递、更快的反应器启动时间以及优化的热管理、封装优化和动态负载跟随。在一些情况下，动力包可以包括使得能够快速启动的负载跟随模块。这样的负载跟随模块可以与动力包的一个或多个结构元件或子系统集成。本文所述的负载跟随反应器可以被配置成基于对功率的需求(例如，在联接到燃料电池的电负载处)来调节功率输出(例如，燃料电池的功率输出)，并且可以足够快地调节功率输出以避免使用额外的电池系统。这样的需求可以基于由操作需要功率的系统或装置的一个或多个最终用户提供的反馈或基于指示缺乏足够的功率或需要额外的功率的一个或多个传感器读数来确定。可以使用设置在系统或装置上或可操作地联接到系统或装置的一个或多个传感器获得所述一个或多个传感器读数，所述系统或装置使用由一个或多个燃料电池(消耗由反应器产生的氢)产生的电能操作。
图6示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于示例性氨动力包的系统架构。系统架构可以包括如上所述的动力包和负载跟随模块。在一些情况下，系统可以具有至少约600瓦时/千克的系统级能量密度。在一些情况下，系统可以具有至少约5重量％的氢储存能力。图6中示意的系统可以包括启动反应器R_s。氨可以经由一条或多条燃料管线提供给启动反应器。可以使用一个或多个流动控制单元FCU和/或一个或多个阀SV(例如，电磁阀)来控制去往启动反应器的氨流。启动反应器R_s可以被配置成直接使用电阻加热来加热催化剂(即，通过使电流经过催化剂本身或经过催化剂载体)。这种特定的配置可以减少热质量并在发生一个或多个反应的情况下产生热，这可以减少达到氨分解的所需反应温度所需的启动时间。在一些实施方案中，所需的温度可以在约400摄氏度至约600摄氏度的范围内。使用启动反应器R_s产生的热可以被用于加热催化剂或其一部分。使用启动反应器R_s产生的热还可以被用于分解或裂化氨的一部分以生成氢，该氢可以被直接提供给一个或多个燃料电池以用于产生电力。在一些情况下，由分解氨生成的氢可以被燃烧以加热主反应器R_m。在一些情况下，使用启动反应器R_s产生的热可以被用于加热主反应器R_m或其一部分。在这样的情况下，启动反应器R_s和主反应器R_m可以彼此热连通以实现两个反应器之间的热能传递。主反应器R_m可以包括一个或多个加热单元。所述一个或多个加热单元可以包括例如电加热器和/或燃烧加热器。使用启动反应器R_s产生的热量可以被用于补充使用主反应器R_m的电加热器和/或燃烧加热器产生的热量。主反应器R_m可以被配置成使用使用电加热器、燃烧加热器、启动反应器R_s产生的热量和/或使用启动反应器R_s产生的任何氢的燃烧产生的热量来分解提供给系统的氨以从氨生成和/或提取氢。所提取的氢可以被提供给一个或多个燃料电池FC以用于产生电能。在一些情况下，可以使用吸附塔ADS来在将氢提供给所述一个或多个燃料电池之前处理(例如，精制或纯化)氢。使用氢和所述一个或多个燃料电池产生的电力可以被用于为电负载(例如，空中载具如无人机或飞行器)提供动力。
在一些情况下，主反应器R_m和启动反应器R_s可以被配置成从相同的源接收氨。所述相同的源可以与主反应器R_m和启动反应器R_s两者流体连通(例如，经由单独的管道、导管或流动通道)。替代地，所述相同的源可以经由启动反应器R_s与主反应器R_m流体连通，或经由主反应器R_m与启动反应器R_s流体连通。在其他情况下，主反应器R_m和启动反应器R_s可以被配置成从不同的源接收氨。在这样的情况下，主反应器R_m可以被配置成从第一源接收氨，而启动反应器R_s可以被配置成从第二源接收氨。第一源和第二源可以或可以不彼此流体连通。在一些情况下，主反应器R_m和/或启动反应器R_s可以被配置成从多个源接收氨。
图7A示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的快速启动反应器的实例。这样的快速启动反应器可以对应于和/或包括图6中示出的启动反应器R_s。快速启动反应器可以包括具有电绝缘和/或热绝热的外壳。外壳可以包括圆柱形或管形。外壳可以包括横截面形状。横截面形状可以是圆形、卵形、椭圆形或具有三条边或更多条边的任何多边形。外壳可以包含例如陶瓷材料如石英或金属材料如铝或钢。
外壳可以包括容纳催化剂床和/或一个或多个电极(例如，一个或多个铜电极)的内部容积。所述一个或多个电极可以与催化剂床或其一部分电连通。外壳可以包括封闭或部分封闭的容积，其被配置成容纳气体(例如，氨)以实现该气体的处理。在其中气体包含氨的情况下，此类处理可以包括裂化或分解氨(或氨的一部分)。快速启动反应器可以包括被配置成接收氨的气体入口。快速启动反应器还可以包括包含一种或多种催化剂的催化剂床。所述一种或多种催化剂可以包括例如改性金属泡沫催化剂。可以使用与快速启动反应器相容的其他类型的催化剂材料。催化剂材料可以经受或可以经历一种或多种增强和/或处理(如图9中所示和所述)。在一些情况下，金属泡沫催化剂可以包含镍铬铝(NiCrAl)泡沫。快速启动反应器还可以包括被配置成将一种或多种气体(例如，氨、氮和/或氢)引导至另一系统或子系统的气体出口。在一些情况下，气体出口可以被配置成将由快速启动反应器产生的氢气引导至一个或多个燃料电池。在一些情况下，气体出口可以被配置成将氢-氮或氢-氮-氨混合物引导至图6中所示和所述的主反应器R_m的气体入口。在其他情况下，气体出口可以被配置成将由快速启动反应器产生的氢气引导至一个或多个燃烧器以产生热能，该热能可以被用于为图6中所示和所述的主反应器R_m提供动力或者加热所示和所述的主反应器。
图7B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的包括一个或多个导电弹簧的快速启动反应器的实例。所述一个或多个导电弹簧可以邻近于催化剂床设置。在一些情况下，所述一个或多个导电弹簧可以设置在催化剂床的相对端上。所述一个或多个导电弹簧可以与催化剂床和/或所述一个或多个电极物理连通、电连通和/或热连通。所述一个或多个导电弹簧可以被配置成当泡沫催化剂经受热循环时减少泡沫催化剂上的热应力。所述一个或多个导电弹簧可以被配置成适应催化剂加热期间的热膨胀和催化剂冷却期间的热收缩。所述一个或多个导电弹簧可以用于减轻和/或重新分配催化剂床上的机械负载，使得催化剂床可以承受多个热循环而不会破裂或断裂。在一些情况下，所述一个或多个弹簧可以被配置成在一个或多个热循环程序期间缓解由于催化剂的热膨胀或热收缩而导致的催化剂上的热应力。所述一个或多个弹簧可以包括例如铜或钢弹簧。使用所述一个或多个导电弹簧可以允许启动反应器提供快速启动能力，同时在快速温度变化期间催化剂床上的热应力减小或极小。
图8示意性地示意了如图7B中所示包括一个或多个导电弹簧的快速启动反应器的气体温度随时间变化的曲线图。在一些情况下，包括所述一个或多个热弹簧的快速启动反应器可以被用于在不到5分钟内将氨气加热至500摄氏度。在一些情况下，包括所述一个或多个热弹簧的快速启动反应器可以被用于在不到60分钟内将氨气加热至约600摄氏度。在一些情况下，当向催化剂提供112瓦的加热功率时，氨气可以在不到300秒内被加热至500摄氏度。在一些情况下，当向催化剂提供157瓦的加热功率时，氨气可以在不到200秒内被加热至500摄氏度。
图9示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的可用于快速启动反应器的金属泡沫催化剂材料的各种类型的增强和/或处理。相容的金属泡沫催化剂可以包括任何金属合金，其包含镍、铬、铁和/或铝，即Ni/Cr-X、Ni/Cr-X/Al-Y和/或Ni/Fe-X/Cr-Y/Al-Z，其中X、Y和/或Z在0至100的范围内。可以对金属泡沫催化剂的表面进行处理(例如，通过蚀刻、合金化、浸提和/或使用一种或多种酸性处理)以增加催化剂材料的表面积。金属泡沫催化剂也可以经历催化剂涂覆操作(例如，通过浸渍、PVD或CVD)和/或一个或多个热处理操作(例如，烧结、退火和/或煅烧)。金属泡沫催化剂材料的这种加工可以产生包含一种或多种电阻催化剂的催化剂涂覆的金属泡沫。
图10示意性地示意了本公开的系统和方法的启动时间模拟数据。如本文所用，启动时间可以对应于将反应器床的温度升高至目标温度所需的时间的量。目标温度可以是至少约100摄氏度、200摄氏度、300摄氏度、400摄氏度或更高。对于包括本文公开的快速启动反应器的反应器系统，可以在比其他常规反应器系统短的时间内将平均反应器温度升高至目标温度。例如，当将当前公开的系统的加热功率调节到至少约150瓦以用于催化剂床的直接电阻加热时，反应器和/或催化剂床可以在30秒内被加热到至少约400摄氏度的目标温度。
图11示意性地示意了本公开的系统和方法的氨转化效率模拟数据。如本文所用，氨转化效率可以对应于转化成一种或多种构成组分(例如，氢或氮)的氨的分数(按质量或摩尔计)。对于包括本文公开的快速启动反应器的反应器系统，氨转化效率可以大于其他常规反应器系统的氨转化效率。例如，当将当前公开的启动反应器的加热功率调节到至少约250瓦以用于催化剂床的直接电阻加热时，本文公开的系统可以实现大于90％的氨转化效率，这表明可以在不到一分钟内将超过90％的氨转化成一种或多种构成组分。
图12示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的启动反应器的模块化设计的实例。在一些情况下，启动反应器可以包括模块化设计，其允许包括多个反应器通道的多个层堆叠在彼此之上。每个层可以包含金属泡沫催化剂和绝缘体(例如，热绝缘体和/或电绝缘体)。在一些情况下，可以在所述一个或多个层之间设置分离器。在一些情况下，分离器可以使用电绝缘涂料如氮化硼(BN)或其他陶瓷类型材料电绝缘。所述多个层可以被布置成使得每个层的气体入口和气体出口在一侧上对齐。此外，所述多个层可以被布置成使得每个层的相应电极从同一侧突进或突出。气体入口和气体出口可以设置在每个层的第一侧上，并且电极可以设置在每个层的第二侧上。图12中示出的可堆叠模块化设计可以增强启动反应器的可扩展性，并且可以实现金属泡沫催化剂的直接加热。模块化配置还可以减小催化剂材料与每个层的一个或多个热源之间的距离。在一些实施方案中，具有电绝缘(例如，包含氮化硼的绝缘涂层)的金属外壳可以用于改善启动反应器的加热性能和氨转化效率。
图13示意性地示意了模块化启动反应器设计的瞬态时间和瞬态反应器温度数据。由于模块化启动反应器设计的较大热容量，故达到目标温度所需的瞬态时间可能大于或等于单个反应器单元的瞬态时间，然而，模块化启动反应器设计仍可以在不到约5分钟内达到约500摄氏度的目标温度。在一些情况下，当提供112瓦的加热功率时，反应器可以在不到约300秒内被加热至500摄氏度。在一些情况下，当提供157瓦的加热功率时，反应器可以在不到约200秒内被加热至500摄氏度。
在一个方面，本公开提供了一种系统，其包括第一反应器模块，该第一反应器模块被配置成接收包含氨的源材料。第一反应器模块可以包括第一催化剂及启动加热和重整单元。启动加热和重整单元可以包括用于使电流经过第一催化剂以加热第一催化剂(例如，通过电阻加热或焦耳加热)的一个或多个电极。所述一个或多个电极可以包括例如一个或多个铜电极。在一些情况下，在使用启动加热和重整单元加热第一催化剂时，该第一催化剂可以用于从氨生成氢。
在一些实施方案中，系统还可以包括与第一反应器模块热连通和/或流体连通的第二反应器模块。第二反应器模块可以包括第二催化剂和用于加热第二催化剂的一个或多个主加热单元。在一些情况下，所述一个或多个主加热单元中的至少一个可以被配置成基于由第一反应器模块生成的氢的燃烧来加热第二催化剂的至少一部分。在一些情况下，在使用所述一个或多个主加热单元加热第二催化剂时，该第二催化剂可以用于从氨生成氢。在一些实施方案中，所述一个或多个主加热单元可以包括例如电加热器和/或燃烧加热器。
如上所述，系统可以包括第一反应器模块和第二反应器模块。如本文所用，术语“模块”通常是指用于进行过程(例如，氨裂化或分解过程)的一个或多个操作的功能单元。模块可以包括一个或多个功能单元。在一些情况下，模块可以包括反应器或重整器。在一些情况下，反应器或重整器可以包括催化剂和/或用于加热催化剂的一个或多个加热单元。在一些情况下，反应器或重整器可以包括至少一个流体输入和/或至少一个流体输出。所述至少一个流体输入可以被用于向反应器或重整器输送氨。所述至少一个流体输出可以用于将氢(或氢和氮以及任选地痕量氨的混合物)输送至一个或多个燃料电池。
在一些情况下，第一催化剂和第二催化剂中的至少之一可以包含金属泡沫催化剂。金属泡沫催化剂可以包含镍、铁、铬和/或铝。在一些情况下，金属泡沫催化剂可以包含包含镍、铁、铬和/或铝的一种或多种合金。
在一些实施方案中，金属泡沫催化剂可以包含一种或多种粉末或球团催化剂的催化涂层。催化涂层可以包含金属材料、促进剂材料和/或载体材料。在一些实施方案中，金属泡沫催化剂可以是多孔的使得金属泡沫催化剂的内表面被催化涂层覆盖。金属材料可以包含例如钌、镍、铑、铱、钴、铁、铂、铬、钯和/或铜。在一些实施方案中，促进剂材料可以包含选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Ba、Sr、La、Ce、Pr、Sm或Gd的至少一种材料。在一些实施方案中，载体可以包含选自以下的至少一种材料：Al2O3、MgO、CeO2、ZrO2、La2O3、SiO2、Y2O3、TiO2、SiC、六角BN(氮化硼)、BN纳米管、碳化硅、一种或多种沸石、LaAlO3、CeAlO3、MgAl2O4、CaAl2O4或一种或多种碳纳米管。
在一些实施方案中，催化涂层可以包含一种或多种基于钌的前体。所述一种或多种基于钌的前体可以包括例如RuCl3或Ru3(CO)12。在本文描述的任何实施方案中，金属泡沫催化剂可以具有至少约8微欧姆-米(μΩm)的表观电阻率。
在一些情况下，可以使用一种或多种蚀刻、合金化、浸提或酸性处理来处理金属泡沫催化剂以增加金属泡沫催化剂的表面积。在一些情况下，可以对金属泡沫催化剂进行热处理(例如，通过烧结、煅烧和/或退火)。在一些情况下，可以使用物理气相沉积处理和/或化学气相沉积处理来涂覆金属泡沫催化剂。在一些实施方案中，第一反应器模块可以包括可堆叠在彼此之上的多个模块化单元。所述多个模块化单元中的每一个可以包括金属泡沫催化剂和用于将氨引导至金属泡沫催化剂的一个或多个反应器通道。所述一个或多个反应器通道可以包括允许氨气被引导至金属泡沫催化剂的表面或内部容积的任何合适的设计或配置。在一些情况下，系统还可以包括用于分隔所述多个模块化单元的一个或多个绝缘面板。所述多个模块化单元(和具有每个模块化单元的金属泡沫催化剂)可以与一个或多个热源热连通。在一些情况下，所述多个模块化单元中的第一模块化单元可以与第一热源热连通，并且所述多个模块化单元中的第二模块化单元可以与第二热源热连通。第一热源可以与第二热源相同。替代地，第一热源可以与第二热源不同(例如，第一热源可以通过燃烧提供热能，而第二热源可以通过电阻加热或焦耳加热提供热能)。在一些情况下，所述多个模块化单元中的第一模块化单元和第二模块化单元可以与相同的热源热连通。在其他情况下，所述多个模块化单元中的第一模块化单元和第二模块化单元可以与不同的热源热连通。
在一些实施方案中，所述多个模块化单元可以堆叠在一起以扩展并行产生的氢的量。在一些情况下，所述多个模块化单元可以被布置成使得模块化单元的边缘相对于彼此齐平。在其他情况下，可以相对于彼此调节模块化单元的位置和/或取向以实现适合于目标容积的期望空间配置或轮廓。
在一些情况下，第一反应器模块可以与第二反应器模块流体连通。这样的流体连通可以允许氨或其他气体(例如，氢和/或氮)在第一反应器模块与第二反应器模块之间流动。在一些情况下，可以将使用第一反应器模块生成的氢燃烧以加热或部分加热第二反应器模块或第二反应器模块的一个或多个部件(例如，第二反应器模块的催化剂)。在一些情况下，可以将使用第一反应器模块生成的氢引导或转向至一个或多个燃料电池以为燃料电池提供动力。燃料电池可以使用使用第一反应器模块和/或第二反应器模块生成的氢来产生电力。
在一些实施方案中，第一反应器模块可以提供至多约5分钟的启动时间以达到至少约550摄氏度的目标温度。在一些实施方案中，第一反应器模块可以提供至多约60分钟的启动时间以达到至少约550摄氏度的目标温度。第一反应器模块可以提供至少约90％的氨转化效率。在一些情况下，第一反应器模块可以具有每立方厘米反应器床体积约10瓦电功率的功率密度。
在一些情况下，第一反应器模块和第二反应器模块中的至少之一可以被配置用于从电力或氢燃烧产生自热(即，自热重整)。在一些情况下，第一反应器模块和/或第二反应器模块可以被配置成分别燃烧由第一反应器模块和第二反应器模块产生的氢以产生额外的热能。这样的额外的热能可以用于加热第一反应器模块和/或第二反应器模块的催化剂。
在一些实施方案中，系统还可包括与第一反应器模块和第二反应器模块中的至少之一流体连通的一个或多个燃料电池。所述一个或多个燃料电池可以被配置成接收使用第一反应器模块和/或第二反应器模块生成的氢并使用该氢来产生电能。
在一些情况下，系统还可包括用于负载跟随和初始反应器加热功率的混合电池。混合电池可以被放置为与第一反应器模块和第二反应器模块中的至少之一电连通。在一些情况下，混合电池可以被用于使电流经过第一反应器模块和/或第二反应器模块的催化剂以实现电阻加热或焦耳加热。在一些情况下，混合电池可以被配置成调节提供给第一反应器模块和/或第二反应器模块的电流的量。在一些情况下，混合电池可以被配置成向第一反应器模块和第二反应器模块提供不同的电流。
图64A示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于在启动操作期间处理氨的系统配置。在一些情况下，氨反应器/重整器(6405)可以用电力输入来加热。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6405)产生的流可以经过热交换器(6404)以作为燃烧燃料供给至氨反应器/重整器(6405)中的一个或多个燃烧器。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6405)产生的流可以经过热交换器(6404)以至少部分地供给回到氨反应器/重整器(6405)。在一些情况下，在将氨供给至热交换器(6404)和/或氨反应器/重整器(6405)之前，可以使用空气冷却热交换器(6403)来蒸发氨。在一些情况下，一个或多个空气供给单元(6412)可以向氨反应器/重整器(6405)中的所述一个或多个燃烧器供给空气以用于燃烧反应。
图64B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于在稳态或启动后操作期间处理氨的系统配置。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6405)产生的流可以经过热交换器(6404)以至少部分地供给至(i)一种或多种吸附剂(6408和6409)和燃料电池系统(6410)和/或(ii)供给至氨反应器/重整器(6405)中的一个或多个燃烧器。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6405)产生的流可以经过热交换器(6404)以至少部分地供给回到氨反应器/重整器(6405)。在一些情况下，从由氨反应器/重整器(6405)产生的流捕获热量回到氨反应器/重整器(6405)可以改善氨转化效率。在一些情况下，当使用热交换器来加热氨反应器/重整器(6405)的输入氨时，使由氨反应器/重整器(6405)产生的流经过热交换器(6404)可以改善氨转化效率。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6405)产生的流可以经过热交换器(6404)、一种或多种吸附剂(6408和6409)和燃料电池系统(6410)以作为燃烧燃料供给至氨反应器/重整器(6405)中的一个或多个燃烧器。在一些情况下，一个或多个空气供给单元(6412)向氨反应器/重整器(6405)中的所述一个或多个燃烧器供给空气以用于燃烧反应。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6405)产生的流可以经过热交换器(6404)，并且该流可以然后作为燃烧燃料被供给至氨反应器/重整器(6405)中的一个或多个燃烧器。在一些情况下，燃料电池系统(6410)可以消耗氢并产生有用的电力。在一些情况下，氨反应器/重整器(6405)的至少一部分可以用电力输入来加热。在一些情况下，氨反应器/重整器(6405)可以不以电的方式加热。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以包括附接于其的温度传感器，所述传感器可以随时间指示和/或监测吸附剂的质量或容量。示出了压力传感器(P)；温度传感器(T)；氨传感器(A)；液体燃料储罐(6401)；液体燃料供给单元(6402)(例如，阀、泵、质量流量控制器等)；任选的空气冷却/加热热交换器(6403)(此热交换器可以联接至燃料电池散热单元和/或环境以蒸发液体燃料)；热交换器(6404)(例如，气体-气体热交换器、液体-气体热交换器、液体/气体两相流-气体热交换器)；氨反应器/重整器(6405)；任选的质量流量控制器或质量流量计(6406)；流动调节器单元(6407)(例如，三通阀、阀、背压调节器等)；吸附剂(6408)；任选的吸附剂(6409)；燃料电池系统(6410)；气体供给单元(6411)(例如，阀、质量流量控制器、止回阀等)；和空气供给单元(6412)(例如，风扇、鼓风机、压缩机等)。
在一些情况下，系统还可以包括选择性催化还原(SCR)系统(例如，SCR催化剂)以从一个或多个燃烧排气流移除氮氧化物(NOx)。在一些情况下，SCR系统可以从所述一个或多个氨罐接收氨(例如，用作还原剂以还原NOx)。在一些情况下，SCR系统可以从一个或多个尿素罐接收尿素。在一些情况下，SCR系统可以从一个或多个尿素和水混合物罐接收尿素和水的混合物。在一些情况下，SCR系统可以从一个或多个尿素罐和一个或多个水罐接收尿素和水。
图65示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于在启动操作期间处理氨的系统配置。在一些情况下，氨反应器/重整器(6505)用电力输入来加热。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6505)产生的流可以经过热交换器(6504)和至少一种吸附剂(6507)以作为燃烧燃料供给至氨反应器/重整器(6505)中的一个或多个燃烧器。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6505)产生的流可以经过热交换器(6504)以至少部分地供给回到氨反应器/重整器(6505)。在一些情况下，在将氨供给至热交换器(6504)和/或氨反应器/重整器(6505)之前可以使用空气冷却热交换器(6503)来蒸发氨。在一些情况下，一个或多个空气供给单元(6512)可以向氨反应器/重整器(6505)中的所述一个或多个燃烧器供给空气以用于燃烧反应。示出了压力传感器(P)；温度传感器(T)；氨传感器(A)；液体燃料储罐(6501)；液体燃料供给单元(6502)(例如，阀、泵、质量流量控制器等)；任选的空气冷却/加热热交换器(6503)(例如，联接至燃料电池散热单元和/或环境以蒸发液体燃料)；热交换器(6504)(例如，气体-气体热交换器、液体-气体热交换器、液体/气体两相流-气体热交换器)；氨反应器/重整器(6505)；任选的质量流量控制器或质量流量计(6506)；吸附剂(6507)；流动调节器单元(6508)(例如，三通阀、阀、背压调节器等)；任选的吸附剂(6509)；燃料电池系统(6510)；气体供给单元(6511)(例如，阀、质量流量控制器、止回阀等)；和空气供给单元(6512)(例如，风扇、鼓风机、压缩机等)。
图66示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于在稳态或启动后操作期间处理氨的系统配置。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6605)产生的流可以经过热交换器(6604)以至少部分地供给至(i)一种或多种吸附剂(6607和6609)和然后(ii)燃料电池系统(6610)和/或氨反应器/重整器(6605)中的所述一个或多个燃烧器。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6605)产生的流可以经过热交换器(6604)以至少部分地供给回到氨反应器/重整器(6605)。在一些情况下，从由氨反应器/重整器(6605)产生的流捕获热量回到氨反应器/重整器(6605)可以改善氨转化效率。在一些情况下，当使用热交换器来加热氨反应器/重整器(6605)的输入氨时，使由氨反应器/重整器(6605)产生的流经过热交换器(6604)可以改善氨转化效率。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6605)产生的流可以作为燃烧燃料被供给至氨反应器/重整器(6605)中的一个或多个燃烧器。在一些情况下，由氨反应器/重整器(6605)产生的流可以经过热交换器(6604)、一种或多种吸附剂(6607和6609)和燃料电池系统(6610)以作为燃烧燃料供给至氨反应器/重整器(6605)中的一个或多个燃烧器。在一些情况下，一个或多个空气供给单元(6612)可以向氨反应器/重整器(6605)中的所述一个或多个燃烧器供给空气以用于燃烧反应。在一些情况下，燃料电池系统(6610)可以消耗氢并产生有用的电力。在一些情况下，氨反应器/重整器(6605)的至少一部分可以用电力输入来加热。在一些情况下，氨反应器/重整器(6605)可以不以电的方式加热。示出了压力传感器(P)；温度传感器(T)；氨传感器(A)；液体燃料储罐(6601)；液体燃料供给单元(6602)(例如，阀、泵、质量流量控制器等)；任选的空气冷却/加热热交换器(6603)(例如，联接至燃料电池散热单元和/或环境以蒸发液体燃料)；热交换器(6604)(例如，气体-气体热交换器、液体-气体热交换器、液体/气体两相流-气体热交换器)；氨反应器/重整器(6605)；任选的质量流量控制器或质量流量计(6606)；吸附剂(6607)；流动调节器单元(6608)(例如，三通阀、阀、背压调节器等)；任选的吸附剂(6609)；燃料电池系统(6610)；气体供给单元(6611)(例如，阀、质量流量控制器、止回阀等)；和空气供给单元(6612)(例如，风扇、鼓风机、压缩机等)。
图67示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的系统反应器和/或热箱配置的实例。一个或多个燃烧反应器和一个或多个电反应器可以被配置用于氨重整。在一些情况下，氨流(6701)可以经过与燃烧反应器同心的导管，使得氨流(6701)被来自燃烧反应器的热量预热。在图67中示出的配置中，氨流(6701)可以与燃烧反应的反应物和产物并行地(例如，沿着相同的方向)流动，并且热量可以跨越导管的壁(从燃烧反应的反应物和产物)传递到氨流(6701)。在一些情况下，经预热的氨(6702)可以进入电反应器以进行氨重整。在一些情况下，出口流(6703)(例如，以摩尔分数计包含50％或更多的H2/N2和50％或更少的NH3)可以然后从电反应器离开并进入燃烧反应器以进行进一步的氨重整。在一些情况下，出口流(6704)(例如，以摩尔分数计包含98％或更多的H2/N2和2％或更少的NH3)可以离开燃烧反应器，并进入热交换器以加热被输入至燃烧反应器和电反应器的氨流(6701)。在一些情况下，来自电反应器的出口流(6703)可以在燃烧反应器的一个区域附近进入燃烧反应器，使得出口流(6703)在邻近于该区域的燃烧反应器中进一步重整。在一些情况下，燃烧反应器的该区域可以包含氨与燃烧气体之间相对低的热梯度(与燃烧反应器的另一区域相比)。在一些情况下，与燃烧反应器的另一区域相比，燃烧反应器的该区域可以包含相对少量的用于燃烧以产生热量的燃烧气体。示出了电反应器(“E-反应器”)；电反应器中至少部分地嵌入的电加热器(E_1)；燃烧反应器(“C-反应器”)；燃烧反应器中至少部分地嵌入的燃烧加热器(C_1)；通过燃烧器入口的氨预热6701；通过燃烧器出口/E-反应器入口的经预热的氨(6702)；E-反应器出口/C-反应器入口(6703)；C-反应器出口(6704)；包含氢的燃烧燃料(6705)；空气入口(6706)；和燃烧排气(6707)；电反应器中的一种或多种催化剂；和燃烧反应器中的一种或多种催化剂。电反应器中的所述一种或多种催化剂可以与燃烧反应器中的所述一种或多种催化剂相同或不同。对于各种设计，可以改变流程图中反应器的入口端口和出口端口的位置。在一些情况下，入口端口和出口端口两者都可以沿着长度定位在反应器上相似的位置处或反应器上相对的位置处。
图68示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的系统反应器和/或热箱配置的实例。在一些情况下，一个或多个燃烧反应器和一个或多个电反应器可以被配置用于氨重整。在一些情况下，氨流(6801)可以经过与燃烧反应器同心的导管，使得氨流(6801)使用来自燃烧反应器的热能预热。在图68中示出的配置中，氨流(6801)可以与燃烧反应的反应物和产物相反地(例如，沿着相反的方向)流动，并且热量可以跨越导管的壁(从燃烧反应的反应物和产物)传递到氨流(6801)。在一些情况下，经预热的氨(6802)可以进入电反应器以进行氨重整。在一些情况下，出口流(6803)(例如，以摩尔分数计包含50％或更多的H2/N2和50％或更少的NH3)可以然后从电反应器离开并进入燃烧反应器以进行进一步的氨重整。在一些情况下，出口流(6804)可以然后离开燃烧反应器(例如，以摩尔分数计包含98％或更多的H2/N2和2％或更少的NH3)并进入热交换器以加热被输入至燃烧反应器和电反应器的氨流(6801)。在一些情况下，氨可以由燃烧反应器和电反应器依次加热，并然后流过热交换器以加热被输入至燃烧反应器和电反应器的氨流(6801)。在一些情况下，来自电反应器的出口流(6803)可以在燃烧反应器的一个区域附近流过以在燃烧反应器中进一步重整。在一些情况下，从电反应器输出的氨可以流过燃烧反应器的进入部分(靠近6803)并在远离进入部分的点(靠近6804)处离开。示出了电反应器(“E-反应器”)；电反应器中至少部分地嵌入的电加热器(E_1)；燃烧反应器(“C-反应器”，C_1)；燃烧反应器中至少部分地嵌入的燃烧加热器(C_1)；通过燃烧器入口的氨预热(6801)；通过燃烧器出口/E-反应器入口的经预热的氨(6802)；E-反应器出口/C-反应器入口(6803)；C-反应器出口(6804)；包含氢的燃烧燃料(6805)；空气入口(6806)；和燃烧排气(6807)；电反应器中的一种或多种催化剂；和燃烧反应器中的一种或多种催化剂。电反应器中的所述一种或多种催化剂可以与燃烧反应器中的所述一种或多种催化剂相同或不同。对于各种设计，可以改变流程图中反应器的入口和出口端口的位置。在一些情况下，入口端口和出口端口两者都可以沿着长度定位在反应器上相似的位置处或反应器上相对的位置处。
图69示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的系统反应器和/或热箱配置的实例。一个或多个燃烧反应器和一个或多个电反应器可以被配置用于氨重整。在一些情况下，氨流(6901)可以经过与燃烧反应器同心的导管，使得氨流(6901)使用来自燃烧反应器的热能预热。在图69中示出的配置中，氨流(6901)可以与燃烧反应的反应物和产物相反地(例如，沿着相反的方向)流动，并且热量可以跨越导管的壁(从燃烧反应的反应物和产物)传递到氨流(6901)。在一些情况下，经预热的氨(6902)进入燃烧反应器以进行氨重整。在一些情况下，出口流(6903)(例如，以摩尔分数计包含50％或更多的H2/N2和50％或更少的NH3)可以然后从燃烧反应器离开并进入电反应器以进行进一步的氨重整。在一些情况下，出口流(6904)可以然后离开电反应器(例如，以摩尔分数计包含98％或更多的H2/N2和2％或更少的NH3)并进入热交换器以加热被输入至燃烧反应器和电反应器的氨流(6901)。在一些情况下，从燃烧反应器输出的氨可以被再循环(6902)至燃烧反应器的与燃烧反应器的另一部分相比相对冷的一部分以加热该相对冷的部分。在一些情况下，相对冷的部分可以在氨与燃烧反应器的燃烧气体第一次接触的位置附近。在一些情况下，在通过燃烧反应器再循环之后从燃烧反应器输出的氨(6903)可以在被输入至热交换器之前由电反应器进一步加热。示出了电反应器(“E-反应器”)；电反应器中至少部分地嵌入的电加热器(E_1)；燃烧反应器(“C-反应器”)；燃烧反应器中至少部分地嵌入的燃烧加热器(C_1)；通过燃烧器入口的氨预热(6901)；通过燃烧器出口/C-反应器入口的氨预热(6902)；C-反应器出口/E-反应器入口(6903)；E-反应器出口(6904)；包含氢的燃烧燃料(6905)；空气入口(6906)；燃烧排气(6907)；电反应器中的一种或多种催化剂；和燃烧反应器中的一种或多种催化剂。电反应器中的一种或多种催化剂可以与燃烧反应器中的所述一种或多种催化剂相同或不同。对于各种设计，可以改变流程图中反应器的入口端口和出口端口的位置。在一些情况下，入口端口和出口端口两者都可以沿着长度定位在反应器上相似的位置处或反应器上相对的位置处。
图70示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的启动操作期间系统反应器和/或热箱配置的实例。在一些情况下，包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的氢和/或氮的输出流可以流过热交换器以在燃烧器反应器中用作燃烧燃料。示出了液体、液体/气体两相或气态氨(7001)；氨气(7002)；包含氢、氮和氨的产物气体(7003)；经冷却的产物气体(7004)；包含氢和氮的燃烧燃料气体(7005)；空气(7006)；燃烧排气(7007)；和进入到C-/E-反应器模块中的电力(7008)。
图71示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的启动期间系统反应器和/或热箱配置的实例。在一些情况下，包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的氢和/或氮的输出流可以流过热交换器并然后流过吸附剂以在燃烧器反应器中用作燃烧燃料。在图71中示出的实例中，吸附剂可以从输出流(7104)移除痕量的氨(例如，按体积计10,000ppm)以改善输入到C-/E-反应器模块(7108)中的过滤流(7105)的燃烧特性。示出了液体、液体/气体两相或气态氨(7101)；氨气(7102)；包含氢、氮和氨的产物气体(7103)；经冷却的产物气体(7104)；包含氢和氮的经过滤燃烧燃料气体(7105)；空气(7106)；燃烧排气(7107)；和进入到C-/E-反应器模块中的电力(7108)。
图72示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的稳态或启动后操作期间系统反应器和/或热箱配置的实例。在一些情况下，包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的氢和氮的输出流(7203)可以流过热交换器并然后流过吸附剂。燃料电池的输出流(7206)(包含未被燃料电池使用的氢和/或氮)可以用作燃烧器反应器的燃烧燃料。在一些情况下，燃料电池的输出流(7206)可以包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的输出流(7203)的约10％至40％的氢。在一些情况下，燃料电池的输出流(7206)可以包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的输出流(7203)的约5％至50％的氢。在一些情况下，燃料电池的输出流(7206)可以包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的输出流(7203)的约1％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％的氢。示出了液体、液体/气体两相或气态氨(7201)；氨气(7202)；包含氢、氮和氨的产物气体(7203)；经冷却的产物气体(7204)；经过滤的产物气体(7205)；包含来自燃料电池的未转化的氢和氮的燃烧燃料气体(7206)；空气(7207)；燃烧排气(7208)；进入到C-/E-反应器模块中的任选的电力(7209)；和来自燃料电池的电力输出(7210)。
图73示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的稳态或启动后操作期间系统反应器和/或热箱配置的实例。在一些情况下，包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的氢和氮的输出流(7303)可以流过热交换器，然后流过吸附剂，并然后流过氢分离单元(例如，变压吸附[PSA]系统或膜分离系统)。在一些情况下，来自氢分离单元的包含经纯化的氢的产物流(7306)可以被输入到燃料电池。在一些情况下，来自氢分离单元的包含氢和氮的出口流或排放流(7307)可以被用作燃烧器反应器的燃烧燃料。在一些情况下，氢分离单元的出口流或排放流(7307)可以包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的输出流(7303)的约10％至40％的氢。在一些情况下，氢分离单元的出口流或排放流(7307)可以包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的输出流(7303)的约5％至50％的氢。在一些情况下，氢分离单元的出口流或排放流(7307)可以包含来自燃烧器反应器、电反应器或两者的输出流(7303)的约0％、1％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％的氢。示出了液体、液体/气体两相或气态氨(7301)；氨气(7302)；包含氢、氮和氨的产物气体(7303)；经冷却的产物气体(7304)；经过滤的产物气体(7305)；主要包含氢的经过滤产物气体(7306)；包含氢和氮的氢分离单元排放流(7307)；空气(7308)；燃烧排气(7309)；进入到燃烧反应器/电反应器模块中的任选的电力(7310)；和来自燃料电池的电力输出(7311)。
图83示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动方法的流程图。在一些情况下，启动方法可以包括(1)将电反应器加热至电反应器目标温度；(2)向电反应器中输入氨并用电反应器重整氨；(3)用空气燃烧电反应器出口流的至少一部分以加热燃烧器反应器；(4)任选地，关闭电反应器；和/或(5)增加氨流速到至少预定的流速。在一些情况下，过程(1)和(2)可以顺序地或并行地进行。在一些情况下，过程(1)-(5)中的至少两个过程可以顺序地或并行地进行。一旦达到条件(5)，并且维持自维持的自热重整(即，稳态条件)，即可将氨流速进一步增加到预定速率以上，具体取决于在维持自热重整的同时的操作要求(例如，燃料电池输出功率、反应器温度、燃烧器温度、反应器压力、氨流速等)。过程(4)可以执行或不执行，具体取决于燃烧器反应器温度和氨转化效率。可以使用电反应器来平衡温度分布。在一些情况下，如果燃料电池效率高，则也可以使用电力作为加热功率的主要来源。
图84示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动方法的流程图。在一些情况下，启动方法可以包括(1)将电反应器加热到至少电反应器目标温度；(2)以至少初始目标流速向电反应器输入氨；(3)向燃烧器反应器输入(i)空气和(ii)来自电反应器的出口流的至少一部分；(4)在燃烧器反应器处点燃并调节进入燃烧器反应器的空气的流速；(5)将燃烧器反应器加热到至少第一目标燃烧器反应器温度；(6)关闭电反应器；(7)使用控制器将氨流速递增地增加到至少第二目标流速并同时控制和增加燃烧器反应器空气流速以维持至少第二目标燃烧器反应器温度。在一些情况下，第二目标燃烧器反应器温度可以与第一目标燃烧器反应器温度相同或不同；(8)将来自燃烧器反应器的出口流的至少一部分输入到燃料电池；(9)在燃料电池中使来自燃烧器反应器的出口流反应以产生电功率；(10)将来自燃料电池的出口流的至少一部分输入到燃烧器反应器；(11)调节燃烧器反应器空气流速以维持至少第三目标燃烧器反应器温度。在一些情况下，第三目标燃烧器反应器温度可以与第一目标燃烧器反应器温度或第二目标燃烧器反应器温度相同或不同；(12)将氨流速调节到至少第三目标流速(例如，通过微调或降低/增加氨流速)，和/或调节燃烧器反应器空气流速以维持至少第四目标燃烧器反应器温度。在一些情况下，第四目标燃烧器反应器温度可以与第一目标燃烧器反应器温度、第二目标燃烧器反应器温度或第三目标燃烧器反应器温度相同或不同；和/或(13)实现预定的初始操作条件(即，稳态条件)。在一些情况下，过程(1)-(13)中的至少两个过程可以顺序地或并行地进行。在一些情况下，启动过程可以在没有过程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)或其组合的情况下进行。燃烧器反应器流出物可以经过吸附剂和热交换器以移除未转化的氨，并在进入燃料电池之前冷却和/或回收热量。过程(6)可以在流程图中的任何地方执行，只要燃烧器反应器温度高于预定阈值温度。如果燃烧器反应器温度下降到预定阈值温度以下，则可以不执行过程(6)。过程(9)可以在过程(8)之后的任何地方执行。
图85示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动方法的流程图。在一些情况下，启动方法可以包括(1)将电反应器加热到至少电反应器目标温度；(2)以至少初始目标流速向电反应器中输入氨；(3)将来自电反应器的出口流输入到燃料电池；(4)向燃烧器反应器输入(i)空气和(ii)来自燃料电池的出口流，并点燃燃烧器反应器中的所述出口流和空气；(5)使来自电反应器和/或燃烧器反应器的出口流中的氢反应以从燃料电池产生功率；(6)将燃烧器反应器加热到至少第一燃烧器反应器目标温度；(7)关闭电反应器；(8)使用控制器将氨流速递增地增加到至少第二目标流速并同时控制(例如，增加)空气的流速以维持至少第二目标燃烧器反应器温度。在一些情况下，第二目标燃烧器反应器温度可以与第一目标燃烧器反应器温度相同或不同；(9)调节空气的流速以维持至少第三目标燃烧器反应器温度。在一些情况下，第三目标燃烧器反应器温度可以与第一目标燃烧器反应器温度或第二目标燃烧器反应器温度相同或不同；(10)将氨的流速调节到至少第二目标流速(例如，通过微调或降低/增加氨流速)，和/或调节去往燃烧器反应器的空气的流速以维持至少第四燃烧器反应器温度。在一些情况下，第四目标燃烧器反应器温度可以与第一目标燃烧器反应器温度、第二目标燃烧器反应器温度或第三目标燃烧器反应器温度相同或不同；和/或(13)实现预定的初始操作条件。在一些情况下，过程(1)-(13)中的至少两个过程可以顺序地或并行地进行。在一些情况下，启动过程可以在没有过程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)或其组合的情况下进行。反应器出口流可以经过吸附剂和热交换器以移除未转化的氨，并在进入燃料电池之前冷却和/或回收热量。过程(7)可以在流程图中的任何地方执行，只要C-反应器温度高于预定阈值温度。如果C-反应器温度下降到预定阈值温度以下，则可以不执行过程(7)。过程(5)可以在过程(3)之后的任何地方执行。
图86示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动方法的流程图。在一些情况下，启动方法可以包括(1)将电反应器加热到电反应器目标温度；(2)以至少初始目标流速向电反应器输入氨；(3)向燃烧器反应器输入来自电反应器的出口流的至少一部分；(4)使用空气供给单元向燃烧器反应器中输入空气，并点燃燃烧器反应器中来自电反应器的出口流和空气；(5)将燃烧器反应器加热到第一目标燃烧器反应器温度；(6)使用控制器将氨流速递增地增加到至少第二目标流速并同时控制(例如，增加)进入燃烧器反应器的空气的流速以维持至少第二目标燃烧器反应器温度。在一些情况下，第二目标燃烧器反应器温度可以与第一目标燃烧器反应器温度相同或不同；和(7)实现预定的初始操作条件。在一些情况下，过程(1)-(6)中的至少两个过程可以顺序地或并行地进行。在一些情况下，启动过程可以在没有过程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)或其组合的情况下进行。反应器出口流可以经过吸附剂和热交换器以移除未转化的氨，并在进入燃料电池之前冷却和/或回收热量。如果C-反应器温度高于预定阈值温度，则可以关闭E-反应器。
这里应指出，参考图83-86描述的任何步骤或过程可以与参考图83-86描述的步骤或过程中的其他步骤或过程组合，并且参考图83-86描述的实例不应被解释为限制本公开。
图87示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动后操作方法的流程图。对于一组给定的系统操作参数，可以预先确定自维持的自热操作条件(例如，最小/最大NH3流速、相应的FC功率和氢消耗率、电池最小/最大充电状态[SOC]、最小/最大空气流速等)。在一些方面，本公开提供了一种用于维持和/或调节包括燃料电池的系统的操作参数以维持和/或调节燃料电池的功率输出的方法。在一些情况下，所述方法可以包括监测燃料电池的功率输出，以及自动调节(增大或减小)功率输出(例如，通过监测联接到燃料电池的电负载)。在一些情况下，所述方法可以调节各种操作参数(8703)，包括但不限于：燃烧器反应器的空气流速、进入系统或其任何部件(例如，燃烧器反应器、电加热器等)的氨流速、和/或燃料电池氢利用率。“*”表示可调节的条件，包括燃烧器空气流速、氨(NH3)流速、燃料电池(FC)H2利用率或E-反应器功率。“a”表示对于给定的FC入口流速维持自维持的自热重整的预定可实现燃料电池(FC)氢利用率或FC入口流消耗率。“b”表示预定最大NH3流速。“c”表示预定最小NH3流速。NH3流速的递增或递减变化可以基于预定值和/或当前值的百分比。在一些情况下，控制器可以控制NH3流速、控制空气流速、控制流动压力、控制阀、控制FC功率输出、控制电池功率输出、控制E-反应器功率输入或其任何组合。在一些情况下，传感器可以测量温度、压力、燃料电池功率输出、电池功率输出、电池SOC、燃料电池氢消耗和NH3转化效率。
在一些情况下，所述方法可以包括增加燃料电池的功率输出(8701)。在一些情况下，所述方法可以包括将燃料电池的氢利用率与预定阈值进行比较。在一些情况下，所述方法可以包括在燃料电池的氢利用率低于预定阈值时通过增加氢利用和/或消耗(同时仍将氢利用维持在低于预定阈值的水平)来增加燃料电池的功率输出。在一些情况下，所述方法可以包括在燃料电池的氢利用率等于或高于预定阈值时将进入系统中的氨流速与预定氨流速值进行比较。在一些情况下，预定氨流速值可以是系统的最大氨流速值。在一些情况下，所述方法可以包括在进入系统中的氨流速小于预定氨流速值时增加氨流速。在一些情况下，所述方法可以包括在进入系统中的氨流速大于预定氨流速值时维持氨流速。在一些情况下，所述方法可以包括在进入系统中的氨流速大于预定氨流速值时增加燃料电池的功率输出。
在一些情况下，所述方法可以包括减小燃料电池的功率输出(8702)。在一些情况下，所述方法可以包括将进入系统中的氨流速与预定氨流速值进行比较。在一些情况下，预定氨流速值可以是系统的最小氨流速值。在一些情况下，所述方法可以包括在进入系统中的氨流速高于预定氨流速值时减小氨流速。在一些情况下，所述方法可以包括在进入系统中的氨流速下降到预定氨流速值以下或处于预定氨流速值时维持氨流速。在一些情况下，所述方法可以包括在进入系统中的氨流速下降到预定氨流速值以下时减少燃料电池的功率输出。
在一些情况下，所述方法可以包括关闭过程。在一些情况下，关闭过程可以包括将氨流速、空气流速和燃料电池功率中的任何一个或其组合减小到零。
在一些情况下，所述方法可以包括故障检测系统。在一些情况下，故障检测系统可以检测故障。在一些情况下，故障可以被分类为大故障或小故障。大故障的实例可以包括反应器容器破裂或氨泄漏超过预定泄漏水平。小故障的实例可以包括反应器或加热器的温度偏离目标温度(例如，偏离10％或更多)，或去往所述一种或多种吸附剂或燃料电池系统的所述一个或多个入口流中氨浓度增加到高于预定阈值浓度。在一些情况下，当由故障检测系统检测到大故障时，可以启动关闭过程。在一些情况下，当由故障检测系统检测到小故障时，系统中的反应器可以在待机模式下操作，同时维持预定温度。在一些情况下，当由故障检测系统检测到小故障时，可以关闭系统中的燃料电池。在一些情况下，如果燃料电池功率需要间歇性地关闭，则该事件可被归类为小故障。在一些情况下，可以维持热待机模式(例如，没有燃料电池输出功率)直至执行关闭过程。在一些情况下，可以维持热待机模式(例如，没有燃料电池输出功率)直至执行燃料电池功率输出。
图88示出了根据本公开的一个或多个实施方案的启动后操作过程的过程流程图。对于一组给定的系统操作参数，可以预先确定自维持的自热操作条件(例如，最小/最大NH3流速、相应的FC功率和氢消耗率、电池最小/最大SOC、最小/最大空气流速等)。在一些方面，本公开提供了一种用于维持和/或调节包括燃料电池的系统的操作参数以维持和/或调节燃料电池的功率输出的方法。在一些情况下，所述方法可以包括确定燃料电池的功率输出是大于还是低于电能或功率需求。在一些情况下，所述方法可以调节各种操作参数(8803)，包括但不限于：燃烧器反应器的空气流速、进入系统或其任何部件(例如，燃烧器反应器、电加热器等)的氨流速、和/或燃料电池氢利用率。“*”表示可调节的条件，包括燃烧器空气流速、NH3流速、燃料电池(FC)H2利用率或E-反应器功率。“a”表示对于给定的FC入口流速维持自维持的自热重整的预定可实现燃料电池氢利用率或FC入口流消耗率。“b”表示预定最大NH3流速。“c”表示预定最小NH3流速。“d”表示预定最大电池充电状态。“e”表示预定最小电池充电状态。NH3流速的递增或递减变化基于预定值和/或当前值的百分比。在一些情况下，控制器可以控制NH3流速、控制空气流速、控制流动压力、控制阀、控制FC功率输出、控制电池功率输出、控制E-反应器功率输入或其任何组合。在一些情况下，传感器可以测量温度、压力、燃料电池功率输出、电池功率输出、电池SOC、燃料电池氢消耗和NH3转化效率。
在一些情况下，所述方法可以包括增加燃料电池的功率输出(8801)。在一些情况下，所述方法可以包括将燃料电池的氢利用率与预定阈值进行比较。在一些情况下，所述方法可以包括通过增加氢利用和/或消耗(同时仍将氢利用维持在低于预定阈值的水平)来增加燃料电池的功率输出。在一些情况下，所述方法可以包括使用电池来补充从燃料电池输出的功率以满足电能或功率需求。在一些情况下，所述方法可以包括将进入系统中的氨流速与预定氨流速值进行比较。在一些情况下，预定氨流速值可以是系统的最大氨流速值。在一些情况下，所述方法可以包括增加氨流速。在一些情况下，所述方法可以包括维持氨流速。在一些情况下，所述方法可以包括增加燃料电池的功率输出。在一些情况下，所述方法可以包括限制与电能或功率需求相关联的电负载。
在一些情况下，所述方法可以包括减小燃料电池的功率输出(8802)。在一些情况下，所述方法可以包括确定电池是否具有高于预定阈值的充电状态(SOC)。在一些情况下，所述方法包括将进入系统中的氨流速与预定氨流速值进行比较。在一些情况下，预定氨流速值可以是系统的最小氨流速值。在一些情况下，所述方法可以包括降低氨流速。在一些情况下，所述方法可以包括维持氨流速。在一些情况下，所述方法可以包括使用由燃料电池产生的电能或功率对电池充电。在一些情况下，所述方法可以包括确定电池是否充满电。
图82示出了根据本公开的一个或多个实施方案的控制器。在一些情况下，控制器可以监测和/或控制各种操作参数。在一些情况下，控制器可以监测和/或控制进入系统中的氨的流速、进入燃料电池中的气体的流速、进入燃烧器中的空气的流速、流进或流出本文公开的系统或系统部件的任何流动或其任何组合。在一些情况下，控制器可以监测和/或控制反应器(例如，电反应器或燃烧器反应器)、燃料电池、热交换器、在系统部件之间的流动、任何系统部件的温度或其任何组合。在一些情况下，控制器可以监测和/或控制一个或多个阀、一个或多个泵、一个或多个风扇、一个或多个鼓风机、一个或多个压缩机或其任何组合以调节氨流速、进入燃料电池中的气体的流速、来自空气供给单元的流速、流进或流出本文公开的系统或系统部件的任何流动或其任何组合。在一些情况下，控制器可以监测和/或控制本文公开的一个或多个系统部件(例如，一个或多个燃料电池、一个或多个加热器或其任何组合)的功率输出或输入。在一些情况下，控制器可以监测和/或控制环境中或系统内物质的浓度，例如环境中或本文公开的任何系统部件或在之间的流动中的湿度、氨浓度、氢或其任何组合。在一些情况下，控制器可以监测和/或控制系统部件或在之间的任何流动(例如，反应器、燃料电池、氨储罐和在之间的任何流动)的压力。在一些情况下，控制器可以以通信方式联接到一个或多个任选的监视器(即，传感器)。在一些情况下，除了优选的监视器和控制器之外，控制器还可以以通信方式联接到一个或多个任选的监视器。在一些情况下，控制器可以以通信方式联接到两个或更多个任选的监视器。
混合加热
图14示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有混合加热的主反应器的实例。这样的混合加热设计可以改善热传递，同时最小化反应器热损失，并且可以减少启动时间。混合加热设计还可以减少反应器的重量和体积并改善系统的热管理特性，同时为氨转化提供优化的热源。
主反应器的混合加热设计可以包括一个或多个热源。热源可以是例如本文别处描述的加热单元。热源可以包括启动加热和重整单元和/或所述一个或多个主加热单元。在一些情况下，所述一个或多个热源可以包括两个或更多个热源或加热单元。在一些情况下，所述两个或更多个热源可以相同。在其他情况下，所述两个或更多个热源可以不同。例如，第一热源可以被配置用于焦耳加热，而第二热源可以被配置用于燃烧加热。在一些情况下，混合加热反应器可以包括设置在第一热源与第二热源之间的分离器(例如，物理部件或结构)。分离器可以促进或可以不促进热能跨越分离器的传递。
在一个实例中，具有混合加热设计的主反应器可以被配置成通过入口接收氨。氨可以被引导通过主反应器，该主反应器可以包括使用两个或更多个热源加热的催化剂材料。当氨被引导通过主反应器的第一部分时，可以使用第一热源直接或间接加热催化剂材料。当氨被引导通过主反应器的第二部分时，可以使用第二热源直接或间接加热催化剂材料。在氨的存在下加热催化剂材料可以产生氢和/或氮。氢和/或氮可然后被引导向出口，该出口可以与一个或多个氢燃料电池流体连通。在一些实施方案中，氢和/或氮可以被引导向出口，该出口可以与一个或多个燃烧发动机和/或燃烧器流体连通。
在一些实施方案中，具有混合加热设计的主反应器可以被配置成燃烧来自反应器(例如，主反应器或快速启动反应器)或来自一个或多个燃料电池的剩余氢气以加热氨和/或催化剂材料。在一些情况下，反应器壁或流体通道壁可以被设计成允许跨反应器壁或在流体流之间进行热交换。在一些情况下，热源或加热单元可以包括具有高热传递系数的粉末材料以增强热传递。在一些情况下，热交换器可以被并入到主反应器的一个或多个部件中或与主反应器的一个或多个部件集成，这可以使主反应器更紧凑和高效。此外，主反应器可以包括厚度在约0.5毫米至约1.2毫米的范围内的一个或多个壁，这可以减小热质量。在一些实施方案中，主反应器可以包括厚度在约1毫米至约30毫米的范围内的一个或多个壁，这可以增加结构完整性。具有混合加热设计的主反应器可以被配置成最小化热损失，同时提供快速氢提取和快速负载跟随。
图15A示意性地示意了本公开的系统和方法的反应器热重整效率、吸热分数和氢燃烧分数数据。与其他常规反应器相比，反应器的混合加热可以在各种不同的氨流速下提供更高的热重整效率。此外，与其他常规反应器相比，本文公开的混合加热反应器系统表现出更有利的吸热分数。在一些情况下，热交换器与混合加热反应器的集成或合并还可以改善混合加热反应器的氢燃烧分数。
图15B示意性地示意了对于100瓦至600瓦的范围内的各种加热功率，反应器热重整效率、吸热/热输入分数和燃料电池功率输出(瓦)随氨流速变化的附加数据。如本文所用，反应器热重整效率可以对应于输出的可用化学能(例如，H2)与进入反应器中的化学能(NH3)和热能的比率。在一些情况下，当向反应器提供300瓦、400瓦、500瓦或600瓦的加热功率时，对于约10升/分钟至约20升/分钟的范围内的氨流速，反应器热重整效率可以达到约90％。如本文所用，吸热分数可以对应于在吸热反应期间反应器吸收的热能的量除以进入系统中的热量或热能的总量(即，由一个或多个加热单元提供或供给至反应器或催化剂床的热量或热能的总量)。在一些情况下，当向反应器提供300瓦、400瓦、500瓦或600瓦的加热功率时，对于约10升/分钟至约20升/分钟的范围内的氨流速，吸热分数可以达到约0.5。当向反应器提供600瓦的加热功率时，对于约15升/分钟至约20升/分钟的范围内的氨流速，本文描述的一个或多个燃料电池的功率输出可以达到约2千瓦(kW)。
图16示意性地示意了本公开的系统和方法的混合加热模拟数据。如本文别处所述，混合加热反应器可以包括被配置用于不同加热模式(例如，燃烧加热或焦耳电加热)的两个或更多个加热器。混合加热反应器可以表现出在0至1的范围内的加热功率比(R)。为0的加热功率比指示所有功率被提供给混合加热反应器的第一加热器，而为1的功率比指示所有功率被提供给混合加热反应器的第二加热器。为0.5的功率比指示功率被相等地提供给第一加热器和第二加热器。反应器的加热功率比(R)可以如下确定：
P_加热器_1＝P_总*(R)
P_加热器_2＝P_总*(1-R)
图16中示出的混合加热数据是基于315瓦热能的总加热功率(P总)和0.1克/秒的氨质量流速生成的。混合加热数据显示，使用不同的加热功率比，热利用显著不同。
图17示意性地示意了本公开的系统和方法的加热功率比模拟数据。由于热利用的差异，故氨转化效率可能基于加热功率比而改变。加热功率比可以表示为燃烧加热与焦耳加热之间的比率。随着加热功率比增加，氨转化效率也可以增加(例如，线性地和/或成比例地)。
在另一个方面，本公开提供了一种系统，其包括反应器模块，该反应器模块被配置成接收包含氨的源材料。该反应器模块可以包括催化剂和用于加热催化剂的多个加热单元。在一些实施方案中，所述多个加热单元可以包括被配置成通过燃烧氢来加热催化剂的至少第一部分的第一加热单元和被配置成使用电加热来加热催化剂的至少第二部分的第二加热单元。如本文所用，术语“电加热”通常是指至少部分地通过使电子流过材料(例如，电导管)来进行的加热。电导管可以是电阻负载。在一些实例中，电加热可以包括焦耳加热(即，遵循欧姆定律的加热)。焦耳加热，也称为电阻性加热、电阻加热或欧姆加热，可以包括使电流经过材料(例如，电阻器、催化剂、催化剂材料或催化剂床)以产生热量或热能。在一些情况下，当使用多个加热单元加热催化剂时，该催化剂可以用于由包含氨的源材料生成氢。在一些实施方案中，第一部分和第二部分可以是催化剂的相同部分。在其他实施方案中，第一部分和第二部分可以是催化剂的不同部分。在一些情况下，第一部分和第二部分可以重叠或部分重叠。
在一些情况下，反应器模块的第一加热单元可以被配置成基于使用辅助反应器模块生成的氢气的燃烧来加热催化剂的第一部分。在一些情况下，第一加热单元可以被配置成基于来自(i)与反应器模块流体连通的一个或多个燃料电池或(ii)辅助反应器模块(例如，本文别处描述的快速启动反应器模块)的剩余氢气的燃烧来加热催化剂的第一部分。在一些情况下，第二加热单元可以被配置成通过使电流经过催化剂的第二部分来加热催化剂的第二部分。在一些情况下，催化剂的第一部分和催化剂的第二部分可以是邻接的(即，物理连接的)。在其他情况下，催化剂的第一部分和催化剂的第二部分可以由催化剂的第三部分分开。催化剂的第三部分可以定位在催化剂的第一部分与第二部分之间。在一些情况下，催化剂的第一部分和第二部分可以彼此热连通(直接或间接地经由催化剂的第三部分)。在其他情况下，催化剂的第一部分和第二部分可以不或不需要彼此热连通。
在一些实施方案中，系统还可以包括与该反应器模块流体连通和/或热连通的辅助反应器模块。辅助反应器模块可以包括辅助催化剂和辅助加热单元。辅助加热单元可以被配置成加热辅助催化剂。在一些情况下，辅助加热单元可以包括用于使电流经过辅助催化剂以加热辅助催化剂的一个或多个电极。在使用辅助加热单元加热辅助催化剂时，该辅助催化剂可以用于从氨生成氢。
在一些实施方案中，主反应器的第一加热单元与第二加热单元之间的热负载分布可以是可调节的以增加氨转化效率和/或增强反应器模块的热效率。热负载分布可以包括对应于第一加热单元的加热功率与第二加热单元的加热功率之间的比率的加热功率比。可以调节第一加热单元和第二加热单元的加热功率以便实现期望的氨转化效率和热效率。在一些情况下，系统还可以包括被配置成控制第一加热单元和第二加热单元的操作以调节反应器模块内的热负载分布的控制器或处理器。在一些情况下，热负载分布的此类调节可以基于一个或多个传感器测量值(例如，温度测量值)或基于反应器模块的性能(例如，反应器模块的氨转化效率和/或热效率)实时地实施。在一些情况下，可以使用具有两个或更多个加热区的加热器来控制加热器内的功率和热分布。在一些情况下，系统可以包括多个加热单元。所述多个加热单元可以包括至少两个或更多个加热单元。在一些情况下，所述至少两个或更多个加热单元之间的热负载分布可以是可调节的以增加氨转化效率并增强反应器模块的热重整效率。在一些情况下，所述至少两个或更多个加热单元中的每一个可以在反应器模块中具有一个或多个加热区以允许在反应器模块中的一个或多个区域内的连续热分布。在一些情况下，所述至少两个或更多个加热单元可以被配置成加热反应器模块中的不同区。在一些情况下，所述至少两个或更多个加热单元可以被配置成加热反应器模块中的一个或多个相同区。
在一些实施方案中，反应器模块可以包括反应床，其包括包含金属材料、促进剂材料和载体材料的一种或多种氨分解催化剂。第一加热单元和第二加热单元可以被配置成加热反应床的不同部分。在一些情况下，金属材料可以包含例如钌、镍、铑、铱、钴、铁、铂、铬、钯或铜。在一些实施方案中，促进剂材料可以包含选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Ba、Sr、La、Ce、Pr、Sm或Gd的至少一种材料。在一些实施方案中，载体可以包含选自以下的至少一种材料：Al2O3、MgO、CeO2、ZrO2、La2O3、SiO2、Y2O3、TiO2、SiC、六角BN(氮化硼)、BN纳米管、碳化硅、一种或多种沸石、LaAlO3、CeAlO3、MgAl2O4、CaAl2O4或一种或多种碳纳米管。
在一些实施方案中，反应器模块可以包括筒式加热器设计，其利用具有高热传递系数的一种或多种电绝缘材料。在一些情况下，所述一种或多种电绝缘材料可以包括例如氮化硼。
在一些实施方案中，反应器模块可以包括厚度在约0.5毫米至约1.5毫米的范围内的一个或多个壁以减少热质量并提供更快且更动态的温度响应。在一些实施方案中，反应器模块可以包括厚度在约1.5毫米至约30毫米的范围内的一个或多个壁以增加结构完整性。在一些实施方案中，反应器模块可以具有至少约90％的热重整效率。在一些情况下，反应器模块可以具有至少约95％的热重整效率。如本文所用，术语“热效率”或“热重整效率”可以指提供给系统的总热能和化学能中转化成H2的化学能的百分比。在一些情况下，“热效率”或“热重整效率”可以对应于氢的热值除以氨的热值和实际热输入之和。在一些情况下，“热效率”或“热重整效率”可以对应于H2化学能除以NH3化学能加热输入之和。
在一些情况下，系统还可包括与反应器模块流体连通的一个或多个燃料电池。所述一个或多个燃料电池可以被配置成使用由反应器模块生成的氢来产生电能。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以与反应器模块和/或辅助反应器模块流体连通。辅助反应器模块可以包括例如上述快速启动反应器模块。所述一个或多个燃料电池可以被配置成使用由反应器模块和/或辅助反应器模块生成的氢来产生电能。
方法
在另一个方面，本公开提供了一种用于处理氨以生成氢的方法。所述方法可以包括向第一反应器模块提供包含氨的源材料。第一反应器模块可以包括第一催化剂及启动加热和重整单元。启动加热和重整单元可以包括用于使电流经过第一催化剂以加热第一催化剂的一个或多个电极。所述方法还可以包括通过使用启动加热和重整单元使电流经过第一催化剂的至少一部分来加热第一催化剂。在使用启动加热和重整单元加热第一催化剂时，该第一催化剂可以用于从氨生成氢。
在一些实施方案中，所述方法可以包括将使用第一反应器模块生成的氢提供给一个或多个燃料电池。所述方法还可以包括使用所述一个或多个燃料电池来产生电力。
在其他实施方案中，所述方法可以包括将使用第一反应器模块生成的氢提供给与第一反应器模块流体连通的第二反应器模块。第二反应器模块也可以被配置成接收包含氨的源材料。可以从相同的源向第一反应器模块和第二反应器模块提供源材料。在一些情况下，可以从不同的源向第一反应器模块和第二反应器模块提供源材料。第二反应器模块可以包括第二催化剂和用于加热第二催化剂的一个或多个主加热单元。所述方法还可以包括使用所述一个或多个主加热单元加热第二催化剂的至少一部分。在一些情况下，所述方法可以包括通过燃烧由第一反应器模块生成的氢的至少一部分来加热第二催化剂。一旦被加热，第二催化剂就可以用于从第二反应器模块接收的氨生成额外的氢。
在一些实施方案中，所述方法还可以包括将使用第二反应器模块生成的氢提供给一个或多个燃料电池。在一些情况下，所述方法还可以包括使用所述一个或多个燃料电池来产生电力。该电力可以被用于为需要电功率来操作的一个或多个系统或装置(例如，各种陆地、空中或水上载具)提供动力。
在另一个方面，本公开提供了一种用于处理氨以生成氢的方法。所述方法可以包括向反应器模块提供包含氨的源材料。该反应器模块可以包括催化剂和用于加热催化剂的多个加热单元。所述多个加热单元可以包括被配置成通过燃烧来加热催化剂的至少第一部分的第一加热单元和被配置成使用焦耳加热来加热催化剂的至少第二部分的第二加热单元。在一些情况下，催化剂的第一部分和第二部分可以彼此邻接或相邻。在其他情况下，催化剂的第一部分和第二部分可以由催化剂的第三部分或屏障(例如，物理屏障或热屏障)分开。
在一些实施方案中，所述方法还可以包括通过燃烧氢来加热催化剂的第一部分。在一些实施方案中，所述方法还可以包括通过使电流经过催化剂的第二部分来加热催化剂的第二部分。一旦被加热，该催化剂就可以用于从包含氨的源材料生成氢。在一些情况下，被燃烧以加热催化剂的第一部分的氢可以使用辅助反应器模块生成。这样的辅助反应器模块可以被配置成从包含氨的源材料生成(即，产生或提取)氢。辅助反应器模块可以包括辅助催化剂和辅助加热单元。在一些情况下，辅助加热单元可以被配置成通过使电流经过辅助催化剂来加热辅助催化剂。一旦被加热，该辅助催化剂就可以用于从辅助反应器模块接收的源材料生成氢。
在一些实施方案中，所述方法还可以包括将使用反应器模块生成的氢提供给一个或多个燃料电池。在一些情况下，所述方法还可以包括使用所述一个或多个燃料电池来产生电力。该电力可以被用于为需要电功率来操作的一个或多个系统或装置(例如，各种陆地、空中或水上载具)提供动力。
在一些实施方案中，所述方法还可以包括将使用反应器模块生成的氢提供给一个或多个燃烧发动机。在一些情况下，所述方法还可以包括使用所述一个或多个燃烧发动机来产生机械功。该机械功可以被用于为需要功率来操作的一个或多个系统或装置(例如，各种陆地、空中或水上载具)提供动力。
计算机系统
在一个方面，本公开提供了被编程成或以其他方式被配置成实施本公开的方法的计算机系统。图18示出了计算机系统1801(即，控制器或计算装置)，其可以被编程成或以其他方式被配置成实施用于处理氨的系统和/或方法。计算机系统1801可以被配置成例如(i)控制去往一个或多个反应器的包含氨的源材料的流动，(ii)控制一个或多个加热单元的操作以加热所述一个或多个反应器的一种或多种催化剂，所述一种或多种催化剂在被所述一个或多个加热单元加热之后可以被用于从包含氨的源材料生成氢，和(iii)控制从氨生成的氢去往一个或多个燃料电池以产生电力的流动。计算机系统1801可以通过调制一个或多个流动控制机构(例如，一个或多个阀)来控制源材料去往反应器的流动和/或氢从反应器去往所述一个或多个燃料电池的流动。计算机系统1801可以通过调制经过所述一种或多种催化剂的电流的量来控制所述一个或多个加热单元的操作。计算机系统1801可以是用户的电子装置或相对于电子装置位于远程的计算机系统。电子装置可以是移动电子装置。
计算机系统1801可以包括中央处理单元(CPU，本文中也称为“处理器”和“计算机处理器”)1805，其可以是单核或多核处理器，或用于并行处理的多个处理器。计算机系统1801还可以包括存储器或存储器位置1810(例如，随机存取存储器、只读存储器、快闪存储器)、电子存储单元1815(例如，硬盘、固态盘等)、用于与一个或多个其他系统通信的通信接口1820(例如，网络适配器)以及外围装置1825如高速缓存、其他存储器、数据存储和/或电子显示适配器。存储器1810、存储单元1815、接口1820和外围装置1825通过通信总线(实线)如主板与CPU 1805通信。存储单元1815可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据储存库)。计算机系统1801可以借助于通信接口1820可操作地联接到计算机网络(“网络”)1830。网络1830可以是互联网、内联网和/或外联网或与互联网通信的内联网和/或外联网。在一些情况下，网络1830可以是电信和/或数据网络。网络1830可以包括一个或多个计算机服务器，其可以实现分布式计算，如云计算。网络1830在一些情况下借助于计算机系统1801可以实施点对点网络，这可以使得联接到计算机系统1801的装置能够充当客户端或服务器。
CPU 1805可以执行一系列机器可读指令，这些指令可以体现在程序或软件中。指令可以存储在存储器位置如存储器1810中。指令可以针对CPU 1805，其随后可以编程或以其他方式配置CPU 1805以实施本公开的方法。由CPU 1805执行的操作的实例可以包括获取、解码、执行和回写。
CPU 1805可以是电路如集成电路的一部分。系统1801的一个或多个其他部件可以包括在电路中。在一些情况下，电路可以是专用集成电路(ASIC)。
存储单元1815可以存储文件，如驱动程序、库和保存的程序。存储单元1815可以存储用户数据，例如，用户偏好和用户程序。在一些情况下，计算机系统1801可以包括位于计算机系统1801外部(例如，在通过内联网或互联网与计算机系统1801通信的远程服务器上)的一个或多个附加数据存储单元。
计算机系统1801可以通过网络1830与一个或多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统1801可以与用户(例如，操作反应器的个人、监测反应器的操作的实体、或操作装置或载具的最终用户，所述装置或载具可以使用由使用反应器生成的氢衍生或产生的电能提供动力)的远程计算机系统通信。远程计算机系统的实例包括个人计算机(例如，便携式PC)、板式或平板PC(例如，iPad、/>Galaxy Tab)、电话、智能电话(例如，iPhone、支持Android的设备、/>)或个人数字助理。用户可以经由网络1830访问计算机系统1801。
如本公开中所描述的系统和方法可以通过存储在计算机系统1801的电子存储位置上例如存储器1810或电子存储单元1815上的机器(例如，计算机处理器)可执行代码来实施。机器可执行或机器可读代码可以以软件的形式提供。在使用期间，代码可以由处理器1805执行。在一些情况下，代码可以从存储单元1815检索并存储在存储器1810上以供处理器1805立即访问。在一些情况下，可以排除电子存储单元1815，并将机器可执行指令存储在存储器1810上。
代码可以被预编译和配置为与具有适于执行该代码的处理器的机器一起使用，或者可以在运行时间期间被编译。代码可以以编程语言提供，所述编程语言可以选择为使得代码能够以预编译或编译后原样方式执行。
本文提供的系统和方法的方面，如计算机系统1801，可以以编程来体现。该技术的多个方面可以被认为是通常呈机器(或处理器)可执行代码和/或相关数据的形式的“产品”或“制品”，所述代码和数据被携带在一种类型的机器可读介质上或体现在一种类型的机器可读介质中。机器可执行代码可以存储在电子存储单元如存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、快闪存储器)或硬盘上。“存储”型介质可以包括计算机、处理器等的有形存储器或其相关模块(如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等)中的任何或全部，其可以随时为软件编程提供非暂时性存储。所有或部分软件有时可以通过互联网或各种其他电信网络进行通信。例如，此类通信可以使得软件能够从一台计算机或处理器加载到另一台中，例如从管理服务器或主计算机加载到应用服务器的计算机平台中。因此，可以承载软件元件的另一种类型的介质包括光波、电波和电磁波，如跨本地装置之间的物理接口使用，通过有线和光学陆地线网络以及各种空中链路使用。携带这样的波的物理元件，如有线或无线链路、光链路等也可以被认为是承载所述软件的介质。如本文所用，除非限于非暂时性的有形“存储”介质，否则术语如计算机或机器“可读介质”是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。
因此，计算机可读介质如计算机可执行代码可以采取许多形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。可以使用非易失性存储介质(包括例如光盘或磁盘或任何计算机中的任何存储装置等)来实施附图中示出的数据库等。易失性存储介质可以包括动态存储器，如这样的计算机平台的主存储器。有形传输介质可以包括同轴电缆；铜线和光纤，包括构成计算机系统内的总线的线。载波传输介质可以采取电信号或电磁信号的形式，或者例如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间产生的声波或光波的形式。因此，计算机可读介质的常见形式可以包括例如：软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡纸带、具有孔图案的任何其他物理存储介质、RAM、ROM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒式磁带、传输数据或指令的载波、传输这种载波的电缆或链路，或者计算机可以从其读取编程代码和/或数据的任何其他介质。这些形式的计算机可读介质中的许多可能涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携带到处理器以供执行。
计算机系统1801可以包括电子显示器1835或与电子显示器通信，电子显示器包括用户界面(UI)1840，其用于提供例如供用户监测或跟踪所述一个或多个反应器或者反应器的一个或多个部件的操作或性能的门户。在一些情况下，所述一个或多个反应器的性能可以包括例如所述一个或多个反应器的氨转化效率或热效率。该门户可以通过应用程序编程接口(API)来提供。用户或实体还可以经由UI与门户中的各种元素交互。UI的实例包括但不限于图形用户界面(GUI)和基于网络的用户界面。
本公开的方法和系统可以通过一种或多种算法来实施。算法可以在由中央处理单元1805执行时通过软件来实施。例如，算法可以被配置成基于一个或多个传感器读数(例如，温度测量值、流速等)或基于所述一个或多个反应器的性能来控制所述一个或多个反应器的操作。在一些情况下，算法可以被配置成(i)控制去往一个或多个反应器的包含氨的源材料的流动，(ii)控制一个或多个加热单元的操作以加热所述一个或多个反应器的一种或多种催化剂，所述一种或多种催化剂在被所述一个或多个加热单元加热之后能够从包含氨的源材料产生或提取氢，和/或(iii)控制从氨生成的氢去往一个或多个燃料电池以产生电力的流动。在一些情况下，算法可以被配置成控制、修改或调节反应器的第一加热单元与第二加热单元之间的热负载分布以增加氨转化效率和增强反应器模块的热效率。热负载分布可以包括对应于第一加热单元的加热功率与第二加热单元的加热功率之间的比率的加热功率比。算法可以使用各种监视器或传感器读数或与反应器的性能相关的各种参数来调节第一加热单元和第二加热单元的加热功率以便实现期望的氨转化效率和/或反应器热效率。
系统配置
图19示意了包括用于来自主反应器R m的出口流的热交换器的紧凑型氨动力包系统。来自主反应器R_m的出口流可以在进入吸附塔(ADS)之前使用热交换器(HX)冷却。热交换器可以用于促进出口流(其可以包含氢、氮和/或低ppm的未转化的氨)与冷源(例如，氨储罐)或流体介质(例如，环境空气)之间的热能传递。热交换器可以与环境空气热连通以将来自主反应器R_m的出口流冷却到小于约50摄氏度。替代地，热交换器可以与一个或多个氨储罐热连通以将来自主反应器R_m的出口流冷却到小于约50摄氏度并为储罐中的氨蒸发提供加热能量。替代地，热交换器可以与一个或多个氨流入物热连通以将来自主反应器R_m的出口流冷却到小于约50摄氏度并为热交换器中的氨蒸发提供热量或热能。经冷却的出口流可以被引导至一个或多个吸附塔以在该出口流被引导至一个或多个燃料电池之前从经冷却的出口流移除任何痕量的氨。吸附塔可以有助于保持所述一个或多个燃料电池的性能和/或寿命，因为氨可能不利于燃料电池的性能。吸附塔可以包括一种或多种吸附剂，所述吸附剂在一定数量的循环或操作之后可以是可更换的(例如，筒式外形尺寸)。所述一种或多种吸附剂可以被配置成从来自所述一个或多个反应器的出口流滤出或移除未转化的氨和/或氮。
图20示意了包括用于使用入口流冷却主反应器R_m的出口流的热交换器的氨动力包系统。热交换器可以与氨储罐热连通以促进来自R_m的出口流的冷却并为储罐中的氨蒸发提供热能。在一些实施方案中，氨储罐可以与燃料电池热连通以从燃料电池回收废热从而为氨储罐内的氨蒸发提供加热能量。反应器的入口流和出口流可以经由热交换器彼此热连通以进行热回收。在一些情况下，入口流(其可以包含来自一个或多个氨储罐的氨)可以在进入主反应器R_m之前被加热或预热。入口流可以经由入口流与出口流之间的热能传递来加热或预热。出口流可以包含由入口流中的氨的分解产生的氢和/或氮。出口流与入口流之间的热能传递和/或氨储罐可以在出口流进入一个或多个燃料电池上游的吸附塔之前冷却出口流，所述燃料电池被配置成利用出口流的至少一部分(例如，氢)来产生电能。
图21示意了包括用于冷却主反应器R_m的入口流和出口流两者的热交换器的氨动力包系统。该氨动力包系统还可以包括如本文别处所述的启动反应器R_s。启动反应器可以被配置成在启动反应器的预定时间量内分解氨。预定时间量可以是至多约5分钟或更短。在一些实施方案中，预定时间量可以是至多约60分钟或更短。启动反应器可以由电能提供动力(例如，通过使电流经过导电催化剂材料以产生热量)。启动反应器可以包括被配置成在被加热到阈值温度(例如，高于350摄氏度)时分解氨的催化剂。氨的分解可以产生氢，氢可以从启动反应器R_s被引导至主反应器R_m的加热单元以用于燃烧加热，如本文别处所述。在一些情况下，在高功率需求期间，启动反应器可以作为负载跟随单元操作。进入主反应器R_m中的入口流可以包含氨、氮和/或氢。进入主反应器R_m中的入口流可以包含来自一个或多个氨罐的氨，或来自启动反应器R_s的氮、氢和/或未转化的氨。
图22示意了为较大系统(例如，具有至少约100千瓦或更大的功率需求的系统)提供动力的氨动力包。该动力包系统可以包括启动反应器R_s、主反应器R_m和多个吸附塔(ADS)。在一些情况下，吸附塔可以包括以筒式外形尺寸提供的吸附剂材料。然而，吸附剂材料可以不呈或不需要呈筒式外形尺寸。在一些情况下，可以利用两个吸附剂床来实现氨动力包系统的按需吸附剂再生和连续操作。在一些情况下，第一吸附塔可以在第一时间段使用或操作，第二吸附塔可以处于待用或操作状态。一旦第一ADS完全排放，系统就可以将来自主反应器R_m的出口流的流动路径切换到第二ADS。第二ADS可以被用于在所述出口流被引导至所述一个或多个燃料电池之前从该出口流移除任何痕量的氨。在使用第二ADS的同时，可以再生第一ADS。一旦第二ADS完全排放，就可以再生第一ADS并准备好在另一个循环或操作中使用。在本文描述的任何实施方案中，可以使用两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个吸附塔。
如图23中所示，在一些情况下，可以设置一个或多个附加的热交换器。所述一个或多个附加的热交换器可以用于再生各种吸附剂床。例如，可以使用嵌入的电加热器(H_3)再生吸附剂床1(ADS_1)。可以使用泵或鼓风机来移除再生的氨并将再生的氨的流与来自燃料电池的出口流(其可以包含未转化的H2和/或N2)合并。可以将氨倾卸到燃料电池出口流中。燃料电池出口流和氨合并物可以被引导至主反应器R_m用于燃烧以便加热主反应器R_m用于进一步的氨分解。
在吸附剂被再生之后，可以将吸附剂床冷却以进行下一个循环。例如，当吸附剂床2(ADS_2)在被再生时，可以使用阀关闭或限制ADS_2之间的流体流动路径，并且用虚线(即，ADS_2与泵或鼓风机P之间的虚线)表示的流体路径可以允许来自ADS_2的再生氨被引导向提供给H_2的燃烧反应流以用于主反应器R_m的燃烧加热。在这样的情况下，ADS_1然后可以允许主反应器R_m出口流经过ADS_1朝向燃料电池流动。
如图24中所示，在一些情况下，可以设置一个或多个附加的热交换器。所述一个或多个附加的热交换器可以用于再生各种吸附剂床。例如，可以使用嵌入的燃烧加热器(H_3)再生吸附剂床1。在一些情况下，来自H_3的燃烧副产物(主要为水蒸气)可以被倾卸到大气中。可以使用泵或鼓风机来移除再生的氨，并将再生的氨的流与来自燃料电池的出口流(其可以包含未转化的H2和/或N2)合并。可以将氨倾卸到燃料电池出口流中。燃料电池出口流和氨合并物可以被引导至主反应器R_m用于燃烧以便加热主反应器R_m，从吸附剂移除脱附的氨，和/或用于进一步的氨分解。在一些实施方案中，来自所述一个或多个燃烧反应器或加热器(例如，图24中的H_2)的排气流可以被用于吸附剂再生。
在一些情况下，环境空气(例如，来自主反应器(R_m)燃烧器加热器(H_2)进气口的空气的一部分)和来自燃料电池出口流的H2和/或N2可以被抽吸或引导至吸附剂燃烧加热器H_3以用于再生。在一些情况下，可以使用一个或多个流动控制单元(例如，阀)来将燃料电池出口流引导至不同的燃烧加热器H_3。在一些实施方案中，从第一吸附剂燃烧加热器H_3离开的再生的氨、未转化的氢和/或氮可以被排放到环境。在所述一个或多个吸附剂床被再生之后，可以将吸附剂床冷却以进行一个或多个后续循环，从而实现连续操作。
如图25中所示，在一些情况下，可以在单个氨动力包系统中使用三个或更多个吸附塔。图25中示意的动力包系统可以经调整以适应较大系统配置(例如，功率需求为100kW或更大的电动载具)。在一些配置中，可以有两个吸附剂床可用于按需吸附剂再生和连续操作。可以利用再一个附加的吸附剂床(例如，ADS_3)作为燃料电池的安全特征(例如，在氨动力包系统的操作期间ADS_1和ADS_2的再生不完全的情况下)。在一些情况下，ADS_1和ADS_2中的吸附剂材料可以相同，ADS_3中的吸附剂材料可以不同于ADS_1和ADS_2的吸附剂材料。在一些实施方案中，可以使用不同的吸附剂材料的组合来提高整个系统的NH3吸附效率或容量。
另外的实施方案
在一些情况下，氨动力包系统可以包括用于动态负载跟随(例如，通过控制氨流速和电加热)的启动反应器。在一些情况下，氨动力包系统可以包括用于动态负载跟随(例如，通过控制氨流速和H2燃烧的量或电加热或二者的组合)的主反应器。
在一些情况下，氨动力包系统可以包括用于动态负载跟随的电池。主反应器可以被配置成维持恒定的功率输出，并且机载电池可以提供动态负载跟随能力(即，在当负载高时放电而在当负载低时充电)。
在一些情况下，氨动力包系统可以包括紧急关闭能力。紧急关闭能力可以使用传感器来实现，所述传感器被配置成监测吸附剂床入口和燃料电池入口处的氨ppm水平，并且如果氨ppm水平高于某个阈值极限(例如，对于燃料电池入口，～10ppm)，则关闭或降低氨流速。
在一些情况下，氨动力包系统可以包括具有一个或多个嵌入的氨传感器的吸附剂开关。氨传感器可以被配置成监测吸附剂内的氨浓度。当氨水平高于某个阈值水平(例如，至少约10ppm)时，来自反应器的N2和/或H2出口流可以切换到下一吸附剂。
在一些情况下，吸附剂材料可以包含吸附剂(例如，沸石)和金属盐(例如，MgCl2)的组合，其可以进一步降低主反应器出口流的氨ppm水平。
在一些情况下，氨动力包系统可以允许氨流动控制以便维持和/或调节反应器温度(例如，氨流速的增加可以降低反应器温度)。这种控制可以防止或降低过热的风险并维持氨分解的最佳温度。
在本文描述的任何实施方案中，氨动力包单元可以包括一个或多个反应器和附接到、固定到或附连到共同的框架的一个或多个燃料电池使得反应器和燃料电池可以被配置成作为集成的动力包系统操作。
封装和组装
在另一个方面，本公开提供了用于氨动力包系统的封装和组装的各种示例性配置。氨动力包系统可以具有本文别处描述的任何部件或系统配置。
如图26中所示，在一些情况下，氨动力包系统可以包括一个或多个燃料电池单元。该氨动力包系统还可以包括联接到所述一个或多个燃料电池单元或邻近于所述一个或多个燃料电池单元定位的一个或多个氨罐。在一些情况下，所述一个或多个氨罐可以放置在所述一个或多个燃料电池单元的顶部。该氨动力包系统还可以包括如上所述的主反应器R_m和启动反应器R_s。氨罐可以与主反应器R_m和/或启动反应器R_s流体连通。氨可以从氨罐流动到启动反应器R_s和/或主反应器R_m。主反应器R_m和启动反应器R_s可以联接到燃料电池单元的一侧或多侧或者邻近于燃料电池单元的一个或多侧定位。在一些情况下，主反应器R_m和启动反应器R_s可以定位在燃料电池单元的不同侧上。主反应器R_m和启动反应器R_s可以彼此流体连通，使得来自启动反应器R_s的一种或多种流体或材料可以流到主反应器R_m。在一些情况下，燃料电池单元也可以与主反应器R_m流体连通。在一些情况下，来自燃料电池单元的未转化的氢可以被引导至主反应器R_m以进行燃烧加热来加热主反应器。在一些情况下，电池单元可以可操作地联接到燃料电池单元、主反应器R_m、启动反应器R_s、氨罐和/或用于控制氨动力包系统的部件之间各种流体或材料的流动的任何阀或其他流动控制单元。电池单元可以联接到燃料电池单元的一部分。
在一些情况下，氨动力包系统可以包括如本文别处所述的热交换器和/或吸附塔。热交换器和吸附塔可以与主反应器R_m流体连通。热交换器和吸附塔可以联接到燃料电池单元的一部分或邻近于燃料电池单元的一部分定位。在一些实施方案中，热交换器和吸附塔可以定位在燃料电池单元的第一侧上。在一些情况下，主反应器R_m可以定位在燃料电池单元的第二侧上，启动反应器R_s可以定位在燃料电池单元的第三侧上，并且电池单元可以定位在燃料电池单元的第四侧上。氨罐可以定位在燃料电池单元的第五侧上。图26中示出的氨动力包配置可以用于紧凑系统(例如，功率需求小于约100千瓦的系统)。
如图27中所示，在一些情况下，氨动力包系统可以经调整以适应更大的系统(例如，功率需求超过100千瓦的系统)。该氨动力包系统可以包括氨罐、热交换器、启动反应器R_s、主反应器R_m、一个或多个吸附塔、燃料电池单元和电池单元。热交换器、启动反应器R_s、主反应器R_m、所述一个或多个吸附塔、燃料电池单元和电池单元可以邻近于氨罐定位。氨罐可以与热交换器流体连通。来自氨罐的氨可以流过热交换器并流到启动反应器R_s中进行处理。由氨的分解产生的氢和/或氮可以从启动反应器被引导至主反应器。由启动反应器从氨提取的氢可以在主反应器中燃烧以加热主反应器。在一些情况下，来自氨罐的氨和/或来自启动反应器的未转化的氨可以被引导至主反应器R_m用于氨裂化或分解。在使用主反应器R_m使氨裂化后，包含氢和氮的产物可以从主反应器被引导至热交换器以在将出口流的氢和/或氮引导至一个或多个吸附塔之前冷却出口流。在一些情况下，除了氢和/或氮之外，出口流还可能包含未转化的氨。在这样的情况下，出口流可以在第一时间段期间被引导至第一吸附塔，并在第二时间段期间被引导至第二吸附塔，以移除未转化的氨。第一时间段可以对应于正在再生第二吸附塔的时间。第二时间段可以对应于正在再生第一吸附塔的时间。吸附塔可以用于在包含氢和/或氮的出口流被引导至燃料电池单元之前移除任何多余的氨。燃料电池单元可以被配置成使用氢来产生电能。在一些情况下，未转化的氢可以被引导回主反应器R_m以进行燃烧加热来加热主反应器。
图28示意性地示意了可以经调整以适应于在空中载具上使用的氨动力包系统。空中载具可以包括例如有人驾驶空中载具、无人驾驶空中载具、飞行器、飞机、直升机或无人机。图28中示出的氨动力包系统的配置可以类似于图26中示出的配置。在一些情况下，氨动力包系统可以被集成到空中载具的主体中。在其他情况下，氨动力包系统可以放置在空中载具的主体的顶部或下方。
图29示意性地示意了可以经调整以适应于在空中载具上使用的氨动力包系统的另一个实例。该氨动力包系统可以包括氨罐、一个或多个燃料电池单元、电池单元、启动反应器R_s、主反应器R_m、热交换器和吸附塔。所述一个或多个燃料电池单元、电池单元、启动反应器R_s、主反应器R_m、热交换器和吸附塔可以定位在氨罐周围。该氨动力包系统可以放置在空中载具的一部分的顶部或下方。替代地，该氨动力包系统可以与空中载具的结构部分或部件集成。
图30示意性地示意了可以经调整以适应于在陆地载具如轿车或汽车上使用的氨动力包系统的一个实例。该氨动力包系统可以包括一个或多个燃料电池、一个或多个吸附塔、启动反应器R_s和/或主反应器R_m、热交换器、电池单元和氨罐。所述一个或多个燃料电池可以放置在载具的前部中或附近(例如，在载具的发动机舱中)。吸附塔、启动反应器R_s、主反应器R_m和热交换器可以放置在载具的下侧区域中或附近。氨罐可以放置在载具的后端附近。电池单元可以定位在氨罐与氨动力包系统的其他部件之间。
图31示意性地示意了可以经调整以适应于在陆地载具如轿车或汽车上使用的氨动力包系统的另一个实例。该氨动力包系统可以包括一个或多个燃料电池、一个或多个吸附塔、启动反应器R_s和/或主反应器R_m、热交换器、电池单元和氨罐。所述一个或多个燃料电池和所述一个或多个吸附塔可以放置在载具的下侧区域中或附近。氨罐和电池单元可以放置在载具的轴(例如，载具的后轮轴)附近。启动反应器R_s、主反应器R_m和热交换器可以放置在载具的前部中或附近(例如，在载具的发动机舱中)。
图32-35示意性地示意了可以经调整以适应于在陆地载具如卡车或半挂车上使用的氨动力包系统的实例。该氨动力包系统可以包括一个或多个燃料电池、一个或多个吸附塔、一个或多个启动反应器、一个或多个主反应器、一个或多个热交换器、一个或多个电池单元和/或一个或多个氨罐。
在一些情况下，所述一个或多个氨罐可以联接到卡车的牵引机单元的后部或集成到卡车的牵引机单元的后部中。牵引机单元(也称为原动机、卡车、半卡车、半牵引机、铰链式卡车、双拖斗卡车或简单地称为牵引机)可以包括重型拖缆绞车，其提供用于拖运拖带载荷或拖挂载荷的动力。如图32中所示，在一些情况下，所述一个或多个燃料电池单元可以定位在牵引机单元的前部中或附近(例如，在牵引机单元的发动机舱中)。在这样的情况下，所述一个或多个吸附塔、所述一个或多个启动反应器、所述一个或多个主反应器、所述一个或多个热交换器和所述一个或多个电池单元可以放置在牵引机单元的下侧区域中或附近。在其他情况下，例如如图33中所示，所述一个或多个启动反应器和所述一个或多个主反应器可以定位在牵引机单元的前部中或附近(例如，在牵引机单元的发动机舱中)。在这样的情况下，所述一个或多个吸附塔、所述一个或多个热交换器、所述一个或多个电池单元和所述一个或多个燃料电池单元可以放置在牵引机单元的下侧区域中或附近。
图34示意性地示意了可以经调整以适应于在陆地载具如卡车或半挂车上使用的氨动力包系统的实例。在一些情况下，如图34中所示，氨动力包系统可以包括多个动力包模块。所述多个动力包模块可以包括至少一个包括主反应器R_m、启动反应器R_s和热交换器的动力包。所述多个动力包模块可以定位在牵引机单元的下侧区域中或附近。所述多个动力包模块可以沿着牵引机单元的下侧分布。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以定位在牵引机单元的前部中或附近(例如，在牵引机单元的发动机舱中)。在一些情况下，所述一个或多个吸附塔和所述一个或多个电池单元可以定位在所述一个或多个燃料电池与所述多个动力包模块之间。
图35示意性地示意了可以经调整以适应于在陆地载具如卡车或半挂车上使用的氨动力包系统的另一个实例。如图35中所示，氨动力包系统可以包括多个动力包模块。所述多个动力包模块可以包括至少一个包括主反应器R_m、启动反应器R_s和热交换器的动力包。所述多个动力包模块可以定位在牵引机单元的前部中或附近(例如，在牵引机单元的发动机舱中)。在一些情况下，一个或多个动力包模块可以定位在牵引机单元的轴(例如，前轴)附近。在一些情况下，一个或多个动力包模块可以定位在牵引机单元的下侧区域中或附近。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池、所述一个或多个电池单元和/或所述一个或多个吸附塔可以定位在牵引机单元的下侧中或附近。在一些情况下，所述一个或多个吸附塔和所述一个或多个电池单元可以定位在所述一个或多个燃料电池与所述多个动力包模块之间。
在一些情况下，所述多个动力包模块可以邻近于彼此定位。在其他情况下，所述多个动力包模块可以远离彼此定位(即，在载具的不同侧、区域或区段中或上)。在一些情况下，所述多个动力包模块可以沿相同的方向取向。在其他情况下，所述多个动力包模块中的至少两个可以沿不同的方向取向。在本文描述的任何实施方案中，所述多个动力包模块可以适当地定位和/或取向以最大化体积效率并最小化所述多个动力包模块的物理占地面积。在本文描述的任何实施方案中，所述多个动力包模块可以定位和/或取向成与动力包模块定位或设置于其中或其上的载具的尺寸和/或形状相符。在本文描述的任何实施方案中，所述多个动力包模块可以定位和/或取向成与动力包模块联接或安装到的载具的尺寸和/或形状相符。
在本文描述的任何实施方案中，本文公开的动力包的部件可以定位在载具的不同侧、区域或区段中或上。在一些情况下，动力包部件的第一子集可以远离动力包部件的第二子集定位。动力包系统的部件可以适当地定位和/或取向以最大化体积效率并最小化动力包系统的物理占地面积。动力包系统的部件可以定位和/或取向成与动力包系统定位或设置于其中或其上的载具的尺寸和/或形状相符。动力包系统的部件可以定位和/或取向成与动力包系统联接或安装到的载具的尺寸和/或形状相符。
图80A示出了根据本公开的一个或多个实施方案的氨动力包。在一些情况下，可以将包括重整器和燃料电池的动力包安装在牵引机上。图80B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有安装的动力包的牵引机。在一些情况下，可以将包括重整器和燃料电池的动力包安装在牵引机的底盘内。在一些情况下，可以将包括重整器和燃料电池的动力包定位在牵引机的机罩或护套中。在一些情况下，可以将动力包的部件安装到牵引机的各个部分或结构部件或与牵引机的各个部分或结构部件集成。所述部件可以安装到牵引机的不同区域或部分以优化重量平衡和/或重心。在一些情况下，一个或多个辅助电池可以支持牵引机功率需求和/或可以为启动过程提供动力。在一些情况下，氨储罐可以定位在载具的后侧上。在一些情况下，可以在进入反应器之前使用经由热交换器(或散热器)的燃料电池排热来蒸发液态氨燃料。
在另一个方面，本公开提供了一种用于分解氨以生成氢的系统。所述系统可以包括一个或多个反应器和用于加热所述一个或多个反应器的一个或多个燃烧器，如下文更详细地描述的。图36A-36C示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的用于分解氨的一些示例性系统。
所述系统可以包括任何数量的本文公开的各种部件。在一些情况下，所述系统可以包括氨罐。在一些情况下，所述系统可以包括反应器。在一些情况下，所述反应器可以与氨罐流体连通。在一些情况下，所述系统可以包括一种或多种吸附剂。在一些情况下，所述系统可以包括一个或多个燃料电池。
反应器可以包括任何数量的本文公开的反应器结构或反应器配置，并且可以被配置成实现任何数量的本文公开的反应器的各种功能。在一些情况下，反应器可以被配置成分解从氨罐接收的氨以生成包含至少氢的反应器出口流。
在一些情况下，反应器出口流还可以包含未分解的氨。在一些情况下，反应器出口流还可以包含氮。
反应器出口流可以包括各种流速。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约10升/分钟(例如，在标准温度和压力下)至至多约20升/分钟的流速。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约0.1升/分钟(lpm)至至多约100lpm的流速。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约10lpm至至多约500lpm。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约100lpm至至多约1000lpm。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约500lpm至至多约10,000lpm。
反应器出口流可以包括各种温度。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约100、200、300、400、500或600℃的温度。在一些情况下，反应器出口流可以包括至多约100、200、300、400、500或600℃的温度。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约20℃至至多约1000℃的温度。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约100℃至至多约500℃的温度。
反应器出口流可以包括各种压力。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约1巴至至多约5巴的压力。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约0.1巴(表压)至至多约20巴(表压)的压力。在一些情况下，反应器出口流可以包括至少约1巴(表压)至至多约100巴(表压)的压力。
氢可以占反应器出口流的各种分数。在一些情况下，氢可以占反应器出口流的至少约0.1摩尔分数至至多约0.75摩尔分数。
未分解的氨可以占反应器出口流的各种分数。在一些情况下，未分解的氨可以包括反应器出口流的至多约0.9摩尔分数的氨。在一些情况下，未分解的氨可以包括反应器出口流的至多约0.05摩尔分数的氨。在一些情况下，未分解的氨可以包括反应器出口流的至多约0.005摩尔分数的氨。在一些情况下，未分解的氨可以包括反应器出口流的至多约0.0005摩尔分数的氨。
氮可以占反应器出口流的各种分数。在一些情况下，氮可以占反应器出口流的至少约0.05摩尔分数至至多约0.25摩尔分数。
所述一种或多种吸附剂可以包括任何数量的本文公开的吸附剂结构或吸附剂配置，并且可以被配置成实现任何数量的本文公开的吸附剂的各种功能。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以被配置成从反应器出口流的至少一部分滤出或移除未转化的氨以提供经过滤的反应器出口流。
所述一种或多种吸附剂可以被配置成从反应器出口流的至少一部分滤出或移除各种分数的未转化的氨。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以被配置成滤出或移除至少约10ppm至至多约100,000ppm的未转化的氨。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以被配置成产生具有小于10ppm的氨的经过滤产物流。
所述一种或多种吸附剂可以被配置成滤出或移除反应器出口流的各种部分。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以被配置成滤出或移除反应器出口流的至少约10ppm至至多约100,000ppm的氨。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以被配置成滤出或移除反应器出口流的至少约10ppm至至多约500,000ppm的氨。
经过滤的反应器出口流可以包括各种流速。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包括至少约10lpm(标准温度和压力)至至多约20lpm的流速。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包括至少约0.1升/分钟(lpm)至至多约100lpm的流速。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包括至少约100lpm至至多约500lpm的流速。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包括至少约200lpm至至多约1000lpm的流速。
经过滤的反应器出口流可以包括各种温度。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包括至少约100、200、300、400、500或600℃的温度。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包括至多约100、200、300、400、500或600℃的温度。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包括至少约20℃至至多约1000℃的温度。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包括至少约100℃至至多约500℃的温度。
经过滤的反应器出口流可以包括各种压力。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包括至少约0.1巴(表压)至至多约100巴(表压)的压力。
氢可以占经过滤的反应器出口流的各种分数。在一些情况下，氢可以占经过滤的反应器出口流的至少约0.1摩尔分数至至多约0.75摩尔分数。
未分解的氨可以占经过滤的反应器出口流的各种分数。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包含至多约100ppm的氨。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包含至多约10ppm的氨。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包含至多约1ppm的氨。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包含至少约0.1ppm的氨至至多约1000ppm的氨。在一些情况下，经过滤的反应器出口流可以包含小于0.1ppm的氨。
氮可以占经过滤的反应器出口流的各种分数。在一些情况下，氮可以占经过滤的反应器出口流的至少约0.05摩尔分数至至多约0.25摩尔分数。
在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以与反应器流体连通。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以与所述一种或多种吸附剂流体连通。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以被配置成从所述一种或多种吸附剂接收经过滤的反应器出口流。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以被配置成处理经过滤的反应器出口流以产生电力。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以被配置成输出包含未转化的氢的燃料电池出口流。在一些情况下，燃料电池出口流还可以包含氢。在一些情况下，燃料电池出口流还可以包含氮。
所述一个或多个燃料电池可以产生各种量的电力。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以产生至少约400W至至多约600W的电力。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以产生至少约10W至至多约1MW的电力。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以产生至少约100kW至至多约1000kW的电力。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以产生至少约1MW至至多约10MW的电力。
燃料电池出口流可以包括各种流速。在一些情况下，燃料电池出口流可以包括至少约100、200、300、400、500或600℃的温度。在一些情况下，燃料电池出口流可以包括至多约100、200、300、400、500或600℃的温度。在一些情况下，燃料电池出口流可以包括至少约20℃至至多约1000℃的温度。在一些情况下，燃料电池出口流可以包括至少约100℃至至多约500℃的温度。
燃料电池出口流可以包括各种压力。在一些情况下，燃料电池出口流可以包括至少约0.01巴(表压)至至多约10巴(表压)的压力。
氢可以占燃料电池出口流的各种分数。在一些情况下，氢可以占燃料电池出口流的至少约0.01摩尔分数至至多约0.75摩尔分数。
未分解的氨可以占燃料电池出口流的各种分数。在一些情况下，未分解的氨可以占燃料电池出口流的至少约1ppm至至多约100ppm。在一些情况下，未分解的氨可以占燃料电池出口流的至少约0.01ppm至至多约1ppm。
氮可以占燃料电池出口流的各种分数。在一些情况下，氮可以占燃料电池出口流的至少约0.25摩尔分数至至多约1摩尔分数。
燃烧器设计
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以与氨罐流体连通。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以与反应器流体连通。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以与所述一种或多种吸附剂流体连通。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以与所述一个或多个燃料电池流体连通。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以与氨罐、反应器、所述一种或多种吸附剂、所述一个或多个燃料电池或其任何组合流体连通。
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以被配置成燃烧反应器出口流的至少一部分以产生热能用于加热反应器和/或反应器内的催化剂材料，如图36A中所示。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以被配置成燃烧经过滤的反应器出口流的至少一部分以产生热能用于加热反应器，如图36B中所示。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以被配置成燃烧燃料电池出口流的至少一部分以产生热能用于加热反应器，如图36C中所示。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以被配置成燃烧反应器出口流的至少一部分以加热反应器内的多个不同区域。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以被配置成燃烧燃料电池出口流的至少一部分以加热反应器内的多个不同区域。
反应器出口流的各种部分可以被所述一个或多个燃烧器燃烧。在一些情况下，来自反应器出口流的至少约5％至至多约50％的氢可以被所述一个或多个燃烧器燃烧。
经过滤的反应器出口流的各种部分可以被所述一个或多个燃烧器燃烧。在一些情况下，来自经过滤的反应器出口流的至少约5％至至多约50％的氢可以被所述一个或多个燃烧器燃烧。
燃料电池出口流的各种部分可以被所述一个或多个燃烧器燃烧。在一些情况下，来自燃料电池出口流的至少约10％至至多约100％的氢可以被所述一个或多个燃烧器燃烧。
在一些情况下，所述系统还可以包括空气供给单元。在一些情况下，空气供给单元可以与所述一个或多个燃烧器流体连通。在一些情况下，空气供给单元可以被配置成向所述一个或多个燃烧器供给至少氧。在一些情况下，空气供给单元可以被配置成从大气向所述一个或多个燃烧器供给空气。
空气供给单元可以以各种流速向所述一个或多个燃烧器供给氧。在一些情况下，空气供给单元可以以至少约10lpm至至多约100lpm的流速供给氧。在一些情况下，空气供给单元可以以至少约100lpm至至多约1000lpm的流速供给氧。
空气供给单元可以以各种压力向所述一个或多个燃烧器供给氧。在一些情况下，空气供给单元可以以至少约0.1巴(表压)至至多约20巴(表压)的压力供给氧。
在一些情况下，空气供给单元可以包括风扇或鼓风机，如图37A中所示。在一些情况下，空气供给单元可以包括压缩机，如图37B中所示，以从大气提供加压空气。在一些情况下，空气供给单元可以包括涡轮机，如图37B中所示。在一些情况下，空气供给单元可以包括涡轮增压单元，如图37B中所示。在一些情况下，空气供给单元可以包括压缩气缸。在这样的情况下，空气供给单元可以被配置成从气缸向所述一个或多个燃烧器提供加压空气。在一些情况下，空气供给单元可以包括文丘里节流装置。文丘里节流装置可以用于在文丘里节流装置与空气供给单元的另一区域之间产生压差。该压差可以用于从大气向文丘里节流装置中抽吸空气。
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括常压燃烧器，如图37C中所示。在一些情况下，常压燃烧器可以被配置成从压缩气缸或风扇鼓风机接收空气或氧的供给。
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括自然吸气燃烧器。在一些情况下，自然吸气燃烧器可以被配置成部分地基于燃烧器内引起的真空从周围环境接收空气或氧的供给。
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括加压燃烧器。在一些情况下，加压燃烧器可以被配置成从联接到涡轮机的压缩机接收空气或氧的供给。在一些情况下，涡轮机可以由来自加压燃烧器的一种或多种排气驱动。
如本文别处所述，系统可以包括一个或多个燃烧器。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以至少部分地嵌入在反应器内，如图38A-38B、图39、图40A-40D、图42中所示。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以被配置成产生热能用于在多个不同的区域中加热反应器以促进氨分解，如图42中所示。所述一个或多个燃烧器的各种部分可以被嵌入在反应器中。所述一个或多个燃烧器可以被嵌入在反应器的各种区域中使得反应器内的各种区域可以由所述一个或多个燃烧器分开地和/或单独地加热。
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以被配置成燃烧可以在燃烧区域上游至少部分地预混合的空气和燃料的混合物，如图38A中所示。在一些情况下，预混合空气和燃料的混合物允许空气-燃料混合物在燃烧区处更完全地燃烧。
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以被配置成燃烧空气和燃料的混合物，其中所述空气和燃料可以在燃烧区域处或附近混合，如图38B中所示。
燃料可以来源于本文公开的各种部件中的一个或多个。在一些情况下，燃料可以包含反应器出口流。在一些情况下，燃料可以包含经过滤的反应器出口流。在一些情况下，燃料可以包含燃料电池出口流。在一些情况下，燃料可以包含来自氨储罐的氨流。在一些情况下，燃料可以包含氢、氮和氨。
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括被配置成混合包含氢的流与包含氧的流以促进燃烧的一个或多个空气-燃料接触区。图39示出了包括两个空气-燃料接触区与一个燃烧器的系统的一个实施方案的图示。两个空气-燃料接触区可以位于燃烧区上游预定距离处。在一些情况下，两个空气-燃料接触区可以包括辅助接触区和主接触区。在一些情况下，辅助接触区和主接触区可以分开预定距离。在一些情况下，预定距离可以是至少约1mm至约1米。在一些情况下，预定距离可以是至少约1em至约20cm。
所述一个或多个燃烧器可以在反应器内的各种位置处包括任何数量的燃烧区。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个燃烧区。
所述一个或多个燃烧器可以在反应器内的各种位置处包括任何数量的空气-燃料接触区。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个空气-燃料接触区。
所述一个或多个燃烧器可以在反应器内的各种位置处包括任何数量的空气-燃料预混合区。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个空气-燃料预混合区。
在一些情况下，氢和氮供给管与燃烧器端可以分开各种距离。图40A-40D示出了包括被配置用于反应器内的燃烧的燃烧器的系统的一个实施方案的图示。图40C示意了包括被配置用于反应器内的燃烧的燃烧器的系统的一些尺寸，包括：空气供给管与反应器端之间的距离(4001)、H2/N2混合物供给管与反应器端之间的距离(4002)、进入反应器中的燃烧器插入长度(4003)和反应器长度(4004)。图40D示出了包括被配置用于反应器内的燃烧的燃烧器的系统的一个实施方案的照片。
进行实验以评估系统性能，同时改变NH3流速以及氢和氮混合物(1∶1体积比)供给管和空气供给管相对于配置用于燃烧的燃烧器端的位置。这些实验的结果在图41A-41B中示出。通过调节氢和氮混合物供给管和空气供给管相对于燃烧器端的位置，观察到反应器和燃烧器效率的改善。图41A示出了反应器热重整效率随氨流速的变化，图41B示出了燃烧器效率随氨流速的变化。在此实例中，反应器热重整效率定义为(所产生的氢的化学能)/(输入的氨的化学能+热能输入)，即产生的氢的低位热值相对于输入的氨的低位热值与热能输入之和。在此实例中，热能输入考虑反应热和热损失。在此实例中，燃烧器效率定义为(氢燃烧热焓-燃烧器出口流的热焓)/(氢燃烧热焓)。例如，空气2cm-H2/N2 12cm-插入长度30cm是指空气供给管与燃烧器端之间的距离为2cm(即，图40C中的4001)、氢和氮混合物供给管与燃烧器端之间的距离为12cm(即，图40C中的4002)并且反应器内燃烧器插入长度为30cm(燃烧器长度从端部到排气出口为约30cm，因此，30cm插入长度是指完全插入，即图40C中的4003)。
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括被配置成加热反应器内的多个不同区域的两个或更多个燃烧器。所述多个不同区域可以对应于不同的燃烧区。图42示出了包括两个燃烧器的系统的一个实施方案的图示。两个燃烧器可以是圆柱形的并且可以同心地嵌入在反应器中，反应器也可以是圆柱形的。两个燃烧器可以在直径方向上相对，在燃烧器的相对面之间存在间隔距离。燃烧器可以被配置成分开地或独立地加热反应器内的至少两个不同区域。
空气和燃料可以在远离燃烧器端的各种距离处混合和燃烧。图43-45各自示意了模拟结果，其示出了空气和燃料在各种距离处的混合和燃烧的影响。在每次模拟中，圆柱形管同心地嵌入在圆柱形燃烧器中。燃烧在空气-燃料混合位置处发生，经加热的流在燃烧器的端部处转向并在与空气/燃料供给方向相反的方向上输送。由于完全燃烧需要混合燃料和空气，故并不是所有氢都立即在空气-燃料混合位置处燃烧，而是火焰随着空气-燃料混合物的流动而延伸过燃烧器。然后该热量可以被传递至燃烧器的最外壁并传递至外部环境(例如，反应器)。空气-燃料接触区和燃烧区可以位于距燃烧器端预定距离处，例如，图43中的约4cm、图44中的约2cm、图45A中的约6cm和图45B中的约8cm。在每次模拟中，燃料(H2/N2 1∶1体积比混合物)流速为10lpm，空气流速为20lpm。对于每次模拟，系统内的温度分布曲线是在稳态假设下计算的。在图43-45中的每个配置的情况下，温度分布曲线相对于燃烧器内的最大温度而变化，这可能影响材料在系统中的稳定性。在一些情况下，温度分布曲线也相对于反应器内的最大温度梯度而变化，这可能在系统中的材料中引起不同水平的应力和/或氧化。在一些情况下，温度分布曲线也相对于燃烧器中各种区域处温度的分布而变化，这可能影响反应器的性能。
图46A-46B各自示意了模拟结果，其示出了在各种距离处的空气和燃料预混合/预燃烧孔的影响。在预混合/预燃烧孔处，燃料和空气可以部分混合并燃烧。与没有预混合/预燃烧孔的情况相比，该机构可以将热量更均匀地分布在整个燃烧器中并且可以降低局部热点温度。例如，图46A示出了温度分布，其中与具有孔(例如，1、2和3个孔)的情况相比，没有预混合/预燃烧孔的情况具有最高的局部热点温度。因此，预混合/预燃烧孔可以影响材料在系统中的稳定性。反应器内的最大温度梯度也在不同情况之间变化，其中各种最大温度梯度可能在系统的材料中引起不同水平的应力和氧化。在一些情况下，温度分布曲线也随燃烧器中各种区域处温度的分布而变化，这可能影响反应器的性能。
所述一个或多个燃烧器可以各自包括各种形状和尺寸。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括圆柱形形状或圆形横截面，如图40A-40D和图43-45B中所示。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括矩形形状或矩形横截面。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以与反应器同心。
在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以包括高温耐火材料。高温耐火材料可以耐热冲击、化学惰性、具有特定的导热率范围或具有特定的热膨胀系数范围。在一些情况下，高温耐火材料可以被配置成增强燃烧器稳定性。在一些情况下，高温耐火材料可以包括钢、碳化钨、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、石灰、金属氧化物、钨、钼或其任何组合。在一些情况下，高温耐火材料可以包括以下中的至少之一：金属氧化物如Al2O3、SiO2、ZrO2、VO2、Ta、Ni的合金、Al、Mo、Cr、Si或其任何组合。在一些情况下，高温耐火材料可以包括钢、钨、钼、碳化钨或其任何组合中的至少之一。在一些情况下，耐火材料可以被涂覆在所述一个或多个燃烧器的一个或多个表面上。耐火材料可以被涂覆在燃烧区上或附近，涂覆在接触反应器的表面上或附近，或涂覆在反应器的任何其他表面上或附近。在一些情况下，耐火材料可以用结构金属增强。在一些情况下，耐火材料可以由结构金属保持和/或覆盖，使得结构金属支撑耐火材料以防出现一处或多处断裂。
图47-48各自示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器和反应器的设计。在一些情况下，燃烧器和反应器可以包括使得燃烧器可以装配在反应器内的尺寸。
反应器可以被配置成从罐接收氨并处理氨(如本文别处所述)以生成氢和/或氮。处理氨可以包括使氨裂化、分解或解离以产生氢和/或氮。在氢和氮的混合物被引导至一个或多个燃料电池之前，氢和/或氮可以从反应器流出并去往一种或多种吸附剂。吸附剂可以用于从反应器的出口流移除痕量的氨和/或氮。所述一个或多个燃料电池可以被配置成由氢/氮混合物产生电能。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以具有包含未转化或未经处理的氢和/或氮的排气流。
在一些情况下，反应器可以包括至少部分地定位在反应器内的燃烧器。燃烧器可以被配置成通过第一入口接收空气并通过第二入口从所述一个或多个燃料电池接收氢和氮的混合物。燃烧器可以包括内部区域或容积，其用于用供给的空气燃烧氢和氮的混合物以加热反应器来进行进一步的氨分解。
燃烧器可以包括各种尺寸和各种横截面积。在一些情况下，具有较大横截面积的燃烧器(例如，图47)可以比具有较小横截面积的燃烧器(例如，图48)经历较低的压降。在一些情况下，燃烧器可以具有5cm2至25cm2之间的横截面积。在一些情况下，燃烧器可以具有25cm2至200cm2之间的横截面积。在一些情况下，燃烧器可以具有10cm2至500cm2之间的横截面积。在一些情况下，燃烧器可以具有100cm2至5000cm2之间的横截面积。
燃烧器可以包括在燃烧器上的各种位置处的一个或多个入口和一个或多个出口。在一些情况下，燃烧器可以包括在燃烧器的相同侧上的一个或多个入口和一个或多个出口。在一些情况下，燃烧器可以包括在燃烧器的不同侧上的一个或多个入口和一个或多个出口。
燃烧器可以包括在燃烧器上沿各种方向取向的一个或多个入口和一个或多个出口。在一些情况下，燃烧器可以包括沿相同方向取向的一个或多个入口和一个或多个出口。在一些情况下，燃烧器可以包括沿垂直方向取向的一个或多个入口和一个或多个出口。在一些情况下，燃烧器可以包括沿燃烧器的最长轴取向的一个或多个入口和一个或多个出口。在一些情况下，燃烧器可以包括垂直于燃烧器的最长轴取向的一个或多个入口和一个或多个出口。在一些情况下，燃烧器可以包括沿单个方向取向的一个或多个入口和一个或多个出口。在一些情况下，燃烧器可以包括沿至少两个不同的方向取向的一个或多个入口和一个或多个出口。在一些情况下，燃烧器可以包括沿至少三个不同的方向取向的一个或多个入口和一个或多个出口。
本文公开的系统可以包括具有各种体积的移动系统。在一些情况下，移动系统可以具有至多约10m3的体积。在一些情况下，移动系统可以具有至多约2m3的体积。在一些情况下，移动系统可以具有至多约1m3的体积。在一些情况下，移动系统可以具有至多约0.5m3的体积。在一些情况下，移动系统可以具有至多约0.25m3的体积。在一些情况下，移动系统可以具有至多约0.1m3的体积。在一些情况下，移动系统可以具有至多约0.05m3的体积。在一些情况下，移动系统可以具有至多约0.01m3的体积。
在一些实施方案中，所述系统可以包括并联连接的多个反应器。在一些情况下，所述多个反应器可以包括一个或多个燃烧器反应器和一个或多个电反应器(例如，4个或更多个电反应器)。在一些情况下，可以使用热交换器来传递热量和/或蒸发来自所述一个或多个燃烧器反应器或电反应器的一个或多个出口流的进入氨流。在一些情况下，在热交换器之后，经预热的氨流可以均匀地分布在所述多个反应器中的每个反应器之间。在一些情况下，可以使用压降元件如限制性孔口来增强所述多个反应器中的一个或多个反应器中的流动分布。在一些情况下，经分布且经预热和/或蒸发的氨气可以在进入电反应器或燃烧反应器之前经过燃烧加热器以预热。在一些情况下，电反应器的流出物可以被输入到燃烧器反应器。在一些情况下，燃烧反应器的流出物可以被输入到电反应器。在一些情况下，可以将一个或多个燃烧器反应器出口流合并并输入到热交换器。在一些情况下，可以将一个或多个电反应器出口流合并并输入到热交换器。在一些情况下，来自热交换器的经冷却产物气体可以经过附加的热交换器以进一步朝环境温度冷却。在一些情况下，可以使用吸附剂来从来自燃烧器反应器、电反应器、热交换器或其任何组合的产物气体过滤未转化的氨。在一些情况下，经过滤的N2/H2混合物产物流可以被供给到燃料电池。在一些情况下，可以使用氢分离单元(例如，变压吸附(PSA)系统或氢可渗透膜系统)来产生与输入到分离单元的气体流相比具有较高氢浓度的产物气体。在一些情况下，来自一个或多个燃料电池的未转化的氢可以被均匀地分配通过所述多个反应器中的每个燃烧反应器以用作燃烧燃料。在一些情况下，来自一个或多个氢分离单元的包含氢和氮的排放流可以被均匀地分配通过所述多个反应器中的每个燃烧反应器以用作燃烧燃料。在一些情况下，一个或多个空气供给单元可以为所述多个反应器中的所述一个或多个燃烧反应器提供空气。在一些情况下，所述系统可以使用自维持的自热重整过程来操作。在一些情况下，取决于去往所述一个或多个燃烧器反应器的空气流速、所述一个或多个燃料电池的氢利用率和/或氢消耗率，可以在所述一个或多个燃烧器反应器的排气端口附近观察到火焰。在一些情况下，维持自热重整所需的氢燃烧可以是由氨裂化产生的氢的约25％-45％。在一些情况下，维持自热重整所需的氢燃烧可以是由氨裂化产生的氢的至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。在一些情况下，维持自热重整所需的氢燃烧可以是由氨裂化产生的氢的至多约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。在一些情况下，所产生的氢的剩余氢(例如，55％-75％)可以被所述一个或多个燃料电池消耗用于产生电功率或按需作为氢气供给。在一些情况下，由氨裂化产生的氢的至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％可以被所述一个或多个燃料电池消耗用于产生电功率或按需作为氢气供给。在一些情况下，由氨裂化产生的氢的至多约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％可以被所述一个或多个燃料电池消耗用于产生电功率或按需作为氢气供给。在一些情况下，较高百分比的由氨裂化产生的氢可以在启动操作或加热阶段期间被消耗。
图74示出了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧燃烧器头设计。在一些情况下，氢-氮混合物燃料可以通过燃料入口供给而空气可以供给到空气入口。在一些情况下，氢-氮混合物燃料可以被分配到一个或多个出口/狭槽(例如，总共4个出口/狭槽)中。在一些情况下，在这些出口处，燃料和空气可以大体上垂直于流动方向(例如，在约60度至约120度之间)喷射。在一些情况下，燃料和空气的喷射可以形成快速混合(例如，旋流)燃烧。在一些情况下，用于提供燃料和空气的燃料和空气管线的尺寸可以被设定成具有相对低的压降(例如，小于约1巴)。在一些情况下，用于提供燃料和空气的燃料和空气管线的尺寸可以被设定成维持高的喷射速度。在一些情况下，所述高的喷射速度可以足够高以减少或防止回流和/或反闪，并且与较低的喷射速度相比可以改善混合。在一些情况下，可以使用增压室(plenum)型储集器来进一步最小化压降。在一些情况下，可以使用可插入设计以便于维护和更换。在一些情况下，可以将燃烧器头插入或永久性地附接到燃烧器反应器。在一些情况下，燃烧器头可以包括一个或多个燃料或空气喷射狭槽。在一些情况下，燃烧器头可以包括用于插入到燃烧器反应器中的一个或多个可插入密封件。在一些情况下，燃烧器头可以包括1至50mm2的空气或燃料喷射狭槽横截面积。在一些情况下，燃烧器头可以包括1-20mm2的空气或燃料喷射狭槽横截面积。在一些情况下，燃烧器头可以包括用于燃料输入的4-15mm2的燃料喷射狭槽横截面积。在一些情况下，燃烧器头可以包括用于空气输入的5-18mm2的空气喷射狭槽横截面积。在一些情况下，燃烧器头可以包括用于燃料输入的6-12mm2的燃料喷射狭槽横截面积。在一些情况下，燃烧器头可以包括用于空气输入的7-15mm2的空气喷射狭槽横截面积。在一些情况下，一个或多个喷射狭槽处的燃料速度和空气速度可以包括各种速度。在一些情况下，燃料速度可以包括10-200m/s。在一些情况下，燃料速度可以包括50-130m/s。在一些情况下，空气速度可以包括30-250m/s。在一些情况下，空气速度可以包括50-200m/s。在一些情况下，空气速度可以包括70-130m/s。
对已安装的燃烧器头进行氨重整燃烧器耐久性测试，持续快速的10+个连续开/关温度循环。在整个10+个循环中，氨重整性能保持恒定，氨转化效率超过99％，氢消耗为约30-40％(相对于由氨分解产生的氢而言)，不使用任何热交换器或回流换热器。
图75A-75B示出了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器头设计。在一些情况下，燃烧器头可以包括任选的氨预热管线。在一些情况下，燃烧器头可以包括用于输入燃料和/或空气的一个或多个狭槽。在一些情况下，燃烧器头可以包括用于输入燃料和/或空气的至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12个狭槽。在一些情况下，燃烧器头可以包括用于输入燃料和/或空气的至多约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12个狭槽。在一些情况下，燃烧器头可以包括用于输入燃料和/或空气的偶数个狭槽(例如，2、4、6、8、10......个)。在一些情况下，燃烧器头可以被配置成在通过所述一个或多个狭槽输入燃料和/或空气时提供旋流气流。在一些情况下，燃烧器头可以至少部分地封闭在绝缘材料中。在一些情况下，氨、空气和燃烧燃料中的至少之一可以流经定位在所述一个或多个燃烧器管内部的同心流动管通过与燃烧产物气体交换热量而被预热。在一些情况下，流经燃烧器头的空气和/或燃烧燃料流的压降小于约2巴。在一些情况下，流经燃烧器头的空气和/或燃烧燃料流的压降小于约1巴。在一些情况下，流经燃烧器头的空气和/或燃烧燃料流的压降小于约0.5巴。流经燃烧器头的空气和/或燃烧燃料流小于约5、4、3、2、1、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1巴。在一些情况下，流经燃烧器头的空气和/或燃烧燃料流的压降大于约0.5巴。流经燃烧器头的空气和/或燃烧燃料流小于约5、4、3、2、1、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1巴。
图76A-76B示出了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器头设计。在一些情况下，燃烧器头可以被配置成插入到燃烧反应器中。在一些情况下，燃烧反应器可以被配置成插入到燃烧器头中。在一些情况下，燃烧器头和细长的燃烧反应器可以在细长的燃烧反应器的端部处联接。
图77示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有燃烧器头的燃烧管中的流动模拟。在不进行氨重整的情况下进行反应流模拟以研究燃烧和反应特性。使用900K和400W/m2-K的热传递边界条件。当模拟中考虑氨重整时，进度变量、速度场和温度场可能发生变化。示出了没有任何实体物理边界的流场线。
图78示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有燃烧器头的燃烧管中的流动模拟。可以优化燃料和/或空气喷射(i)狭槽尺寸或横截面积、(ii)喷射方向或角度、(iii)燃烧器插入深度或(iv)狭槽与燃烧管之间的间隙以改变燃烧特性。图79示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有燃烧器头的燃烧管中的流动模拟。在一些情况下，燃烧器头可以包括被配置成在燃烧反应器中提供旋流的一个或多个燃料或空气入口。在一些情况下，所述一个或多个燃料或空气入口可以大体上径向对称地定位在燃烧器头上。
空中载具
图49示意性地示意了可以被安装到空中载具并与空中载具相容地使用的氨处理系统的系统架构配置的实例。空中载具可以包括无人驾驶空中载具(UAV)、无人机、旋翼飞行器、固定翼、扑翼、直升机、飞机或喷气式飞机。表1描述了图49中示出的每个图形元素。
表1.图49中的图形元素描述
在一些情况下，系统可以包括一个或多个反应器(R)，其被配置成部分或完全裂化提供给所述一个或多个反应器的氨以产生氢、氮和/或氨。在一些情况下，系统可以包括与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池(FC)。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池被配置成从所述一个或多个反应器接收并处理氢以产生电能。在一些情况下，所述一个或多个反应器和所述一个或多个燃料电池可以被配置成安装在空中载具上或安装到空中载具。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池与空中载具的一个或多个马达或驱动单元电连通，以驱动空中载具的所述一个或多个马达或驱动单元。驱动单元可以包括例如一个或多个转子或螺旋桨。
在一些情况下，所述一个或多个反应器可以被配置成安装到空中载具。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以被配置成安装到空中载具。在一些情况下，所述一个或多个反应器和所述一个或多个燃料电池可以被配置成安装到空中载具。在一些情况下，所述一个或多个马达或驱动单元可以被配置成安装到空中载具。
在另一个方面，本公开提供了一种氨动力包系统，其可以安装到空中载具以为空中载具的一个或多个马达或驱动单元提供动力。在一些情况下，氨动力包系统可以具有优化的物理布局和/或封装。图50示出了根据本公开的一个或多个实施方案的氨动力包系统的数码呈现。此呈现示出了其中多个燃料电池、氨罐和一种或多种吸附剂安装在第一级上并且一个或多个氨反应器安装在第一级上方的第二级上的实施方案。前述部件及其组件可以被设计成使得整个系统的重量和体积为至多约25千克(kg)。在一些情况下，系统的总重量(包括满罐的氨的重量在内)可以在约24kg至约25kg之间。在一些情况下，系统的总重量可以在约20kg至约30kg之间。在一些情况下，系统的总重量可以在约10kg至约40kg之间。在一些情况下，系统的总重量可以为至多约25kg。在一些情况下，系统的总重量可以为至多约100kg。在一些情况下，系统的总体积可以在约35L至约37L之间。总体积可以理解为当物体被完全浸没在流体中时排开的流体的体积。总体积可以理解为系统的一个一个单独的部件和/或硬件的体积的总和。在一些情况下，系统的总体积可以在约30L至约40L之间。在一些情况下，系统的总体积可以在约20L至约50L之间。在一些情况下，系统的总体积可以为至多约40L。在一些情况下，系统的总体积可以为至多约200L。在一些情况下，系统的总体积可以在约200L至约1000L之间。
在一些情况下，部件可以被布置成允许容易地及于氨罐，使得用户可以容易地将罐更换为满的或部分填充的罐或者根据需要用氨填充该罐。部件也可以对称地布置，使得当安装在空中装置上时系统的重量分布是平衡的。图51示出了根据本公开的一个或多个实施方案的安装在空中载具上的氨动力包系统的数码呈现。
图52示出了其上安装有氨动力包系统的空中载具的照片。用该空中系统进行了飞行测试以测量氨动力包系统的飞行持续时间和功率输出。图53示出了空中载具在飞行期间的照片。该载具的规格在下面表2中示出。
表2.用于氨动力包系统的氨动力包规格。
图54示出了该空中系统经过800秒飞行的测试结果。系统的总功率需求随时间大体上保持稳定，为约3600瓦。调制电池和氨动力包系统的功率输出，使得电池的贡献随时间减小而总功率输出大体上保持相同。
在一些情况下，氨处理和氨动力包系统的尺寸可以设定成满足负载(例如，空中载具)100％的功率需求。在一些情况下，氨处理和氨动力包系统的尺寸可以设定成满足负载(例如，空中载具)100％的功率需求并产生额外的能量以便能够为机载辅助电池充电。
在一些情况下，氨处理和氨动力包系统可以具有至少约650瓦时/千克(Wh/kg)的能量密度。在一些情况下，氨处理和氨动力包系统可以具有至少约100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、2000、3000、4000、5000或6000瓦时/千克的能量密度。在一些情况下，氨处理和氨动力包系统可以具有至多约100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、2000、3000、4000、5000或6000瓦时/千克的能量密度。
在一些情况下，氨处理和氨动力包系统可以具有至少约400瓦时/升(Wh/L)的能量密度。在一些情况下，氨处理和氨动力包系统可以具有至少约100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、2000、3000或4000瓦时/升的能量密度。在一些情况下，氨处理和氨动力包系统可以具有至多约100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、2000、3000或4000瓦时/升的能量密度。
图81A-81B分别示出了具有燃料电池的集成动力包的电压对电流和功率对电流。该燃料电池使用来自包括三个电反应器和三个燃烧器反应器的系统的产物气体产生超过20千瓦的电力。在一些实施方案中，系统可以包括一对或多对电反应器-燃烧反应器模块。在一些实施方案中，一对电反应器-燃烧反应器模块可以包括以串联流动关系连接的电反应器和燃烧反应器。在一些实施方案中，至少两对电反应器-燃烧反应器模块可以以并联流动关系连接。还示出了在稳态下进行的纯氢和合成氢/氮混合物实验结果以供比较。由于燃料电池冷启动，故与纯H2和合成混合物运行相比，集成重整氨燃料电池运行可能会出现轻微的电压下降。使用重整的氨产物气体进行三个不同的运行。燃料电池出口流被供给到燃烧加热器。该系统维持自热重整。
在一些情况下，系统的能量密度可以定义为氨中可用能量的量之间的比率，其中氨被储存在系统内。在一些情况下，系统的能量密度可以定义为氨中可转换成可用电力的可用能量的量之间的比率，其中氨被储存在系统内。在一些情况下，系统的能量密度可以定义为氨中可转换成可用氢能的可用能量的量之间的比率，其中氨被储存在系统内。在一些情况下，系统可以指一个或多个氨罐和一个或多个反应器。在一些情况下，系统可以指一个或多个氨罐、一个或多个反应器和一个或多个燃料电池。在一些情况下，系统可以指一个或多个氨罐、一个或多个反应器、一个或多个燃料电池和与其联接的各种其他部件(例如，燃烧器、吸附剂、热交换器、电气部件或本文公开的任何其他部件)。
所述一个或多个反应器中的每一个可以被配置成每单位时间裂化各种量的氨。裂化的氨的量可以至少部分地基于空中载具的尺寸、空中载具的重量、空中载具是在移动还是在静止或其任何组合。在一些情况下，所述一个或多个反应器中的每一个可以被配置成每分钟裂化至少约30升的氨(例如，在约标准温度和压力下)。在一些情况下，所述一个或多个反应器中的每一个可以被配置成每分钟裂化约30至100升的氨(例如，在约标准温度和压力下)。在一些情况下，所述一个或多个反应器中的每一个可以被配置成每分钟裂化约100至300升的氨(例如，在约标准温度和压力下)。在一些情况下，所述一个或多个反应器中的每一个可以被配置成每分钟裂化至多约1000升的氨(例如，在约标准温度和压力下)。在一些情况下，所述一个或多个反应器中的每一个可以被配置成每分钟裂化至多约5000升的氨(例如，在约标准温度和压力下)。
所述一个或多个反应器可以安装到空中载具的任何侧，或者安装到空中载具的一侧或多侧，例如空中载具的前侧、后侧、侧向侧、顶侧或底侧。如本文所用，表示取向或方向的术语(例如，“前”、“后”、“侧向”、“顶”、“底”)可以参考主体中最长维度的轴线和/或重力或重心。例如，在空中载具中，取向或方向可以参考空中载具的最长维度和/或重力。在另一个实例中，在包括径向对称的主体的空中载具中，径向对称使得该空中载具包括多于一个主体中最长维度的轴线，则取向或方向可以参考所述轴线中的任一条。
在一些情况下，所述一个或多个反应器可以安装在空中载具的两个相邻侧之间。在一些情况下，所述一个或多个反应器可以全部安装在一侧上。在一些情况下，所述一个或多个反应器可以安装在多个侧上。所述一个或多个反应器可以取向成从位于空中载具的前部、空中载具的后面或空中载具的侧向侧的储罐接收氨流。所述一个或多个反应器可以取向成朝向定位在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一种或多种吸附剂、一个或多个热交换器和/或一个或多个燃料电池输出氢、氮和/或痕量氨的流。所述一个或多个反应器可以安装到安装在空中载具上的另一部件上。在一些情况下，所述一个或多个反应器可以包括两个或更多个启动反应器和两个或更多个主反应器。在一些情况下，氨罐可以与一个或多个热交换器流体连通以使氨气化和/或加热氨。在一些情况下，可以将气化的氨气供给至所述一个或多个反应器。
所述一个或多个燃料电池可以安装到空中载具的任何侧，或者安装到空中载具的一侧或多侧，例如载具的前侧、后侧、侧向侧、顶侧或底侧。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以安装在空中载具的两个相邻侧之间。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以全部安装在一侧上。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以安装在多个侧上。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以取向成从定位在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个反应器或一种或多种吸附剂接收包含氢和/或氮的流。所述一个或多个燃料电池可以取向成朝向定位在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个反应器或一个或多个燃烧器输出包含氢和/或氮的流。所述一个或多个燃料电池可以安装到安装在空中载具上的另一部件上。
所述一个或多个马达或驱动单元可以安装到空中载具的任何侧，或者安装到空中载具的一侧或多侧，例如载具的前侧、后侧、侧向侧、顶侧或底侧。在一些情况下，所述一个或多个马达或驱动单元可以安装在空中载具的两个相邻侧之间。在一些情况下，所述一个或多个马达或驱动单元可以全部安装在一侧上。在一些情况下，所述一个或多个马达或驱动单元可以安装在多个侧上。所述一个或多个马达或驱动单元可以取向成在任何方向上对空中载具施加力，例如，在前向方向上、在后向方向上、在侧向方向上、在竖直方向上、在径向方向上或在其任何组合的方向上施加力。所述一个或多个马达或驱动单元可以取向成在任何方向上移动空中载具，例如，在前向方向上、在后向方向上、在侧向方向上、在竖直方向上、在径向方向上或在其任何组合的方向上移动。所述一个或多个马达或驱动单元可以安装到安装在空中载具上的另一部件上。
在一些情况下，系统还可以包括与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以被配置成处理来自所述一个或多个反应器的出口流以从该出口流滤出或移除氨。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以被配置成处理来自所述一个或多个反应器的出口流以从该出口流滤出或移除氮。在一些情况下，出口流包含氢和/或氮。在一些情况下，吸附剂与所述一个或多个燃料电池流体连通。在一些情况下，吸附剂被配置成在从所述一个或多个反应器的出口流滤出或移除氨之后将氢和/或氮引导至所述一个或多个燃料电池。
所述一种或多种吸附剂可以安装到空中载具的任何侧，或者安装到空中载具的一侧或多侧，例如载具的前侧、后侧、侧向侧、顶侧或底侧。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以安装在空中载具的两个相邻侧之间。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以全部安装在一侧上。在一些情况下，所述一种或多种吸附剂可以安装在多个侧上。所述一种或多种吸附剂可以取向成从定位在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个反应器、一个或多个燃烧器或一个或多个燃料电池接收包含氢、氨、氮或其任何组合的流。所述一种或多种吸附剂可以取向成朝向定位在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个燃料电池或一个或多个燃烧器输出包含氢和/或氮两者的流。所述一种或多种吸附剂可以安装到安装在空中载具上的另一部件上。
在一些情况下，系统还可以包括与所述一个或多个燃料电池流体连通的一个或多个燃烧器。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器被配置成燃烧来自所述一个或多个燃料电池的出口流以加热所述一个或多个反应器。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以被配置成燃烧来自氨罐的流、来自所述一个或多个反应器的出口流、来自所述一个或多个燃料电池的出口流或其任何组合。
在一些情况下，系统还可以包括被配置成从一个或多个燃烧排气流移除氮氧化物(NOx)的选择性催化还原(SCR)系统。在一些情况下，SCR系统从所述一个或多个氨罐接收氨。
所述一个或多个燃烧器可以安装到空中载具的任何侧，或者安装到空中载具的一侧或多侧，例如载具的前侧、后侧、侧向侧、顶侧或底侧。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以安装在空中载具的两个相邻侧之间。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以全部安装在一侧上。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以安装在多个侧上。所述一个或多个燃烧器可以取向成从定位在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个反应器、一种或多种吸附剂或一个或多个燃料电池接收包含氢和/或氮的流。所述一个或多个燃烧器可以取向成将包含燃烧副产物的流输出到周围环境。所述一个或多个燃烧器可以安装到安装在空中载具上的另一部件上。
在一些情况下，可以在所述一个或多个反应器内部使用一个或多个电加热器。在一些情况下，可以除了所述一个或多个燃烧器外还在所述一个或多个反应器中使用所述一个或多个电加热器。
在一些情况下，系统还可以包括安装在空中载具上的一个或多个燃料储罐。在一些情况下，燃料储罐与所述一个或多个反应器流体连通以将氨提供给所述一个或多个反应器来进行氨的裂化或分解。在一些情况下，所述一个或多个燃料储罐可以与所述一个或多个热交换器流体连通以使氨气化并加热氨。在一些情况下，可以将气化的氨气提供给所述一个或多个反应器以裂化或分解氨。
所述一个或多个燃料储罐可以安装到空中载具的任何侧，或者安装到空中载具的一侧或多侧，例如载具的前侧、后侧、侧向侧、顶侧或底侧。在一些情况下，所述一个或多个燃料储罐可以安装在空中载具的两个相邻侧之间。在一些情况下，所述一个或多个燃料储罐可以全部安装在一侧上。在一些情况下，所述一个或多个储罐可以安装在多个侧上。在一些情况下，所述一个或多个燃料储罐可以取向成朝向定位在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个反应器输出包含氨的流。在一些情况下，所述一个或多个燃料储罐可以取向成朝向定位在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个热交换器输出包含氨的流。所述一个或多个燃料储罐可以安装到安装在空中载具上的另一部件上。
在一些情况下，系统还可以包括用于冷却所述一个或多个反应器的出口流的一个或多个热交换器。在一些情况下，所述一个或多个热交换器可以与来自所述一个或多个燃料电池的出口流热连通以冷却热交换器和/或来自所述一个或多个反应器的出口流。来自所述一个或多个燃料电池的出口流可以包含空气或氧。
所述一个或多个热交换器可以安装到空中载具的任何侧，或者安装到空中载具的一侧或多侧，例如载具的前侧、后侧、侧向侧、顶侧或底侧。在一些情况下，所述一个或多个热交换器可以安装在空中载具的两个相邻侧之间。在一些情况下，所述一个或多个热交换器可以全部安装在一侧上。在一些情况下，所述一个或多个热交换器可以安装在多个侧上。所述一个或多个热交换器可以取向成从安装在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个反应器、一个或多个燃烧器、一个或多个燃料电池或一种或多种吸附剂接收包含氢和/或氮的流。所述一个或多个热交换器可以取向成朝向安装在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个反应器、一个或多个燃烧器、一个或多个燃料电池或一种或多种吸附剂输出包含氢和/或氮的流。所述一个或多个热交换器可以安装到安装在空中载具上的另一部件上。
在一些情况下，所述一个或多个热交换器可以取向成从安装在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个氨储罐接收包含氨的流。所述一个或多个热交换器可以取向成朝向安装在空中载具的前部上、空中载具的后面、空中载具的侧向侧上、空中载具的底部上或空中载具的顶部上的一个或多个反应器和/或一个或多个燃烧器输出包含氨的流。所述一个或多个热交换器可以安装到安装在空中载具上的另一部件上。
在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以与电负载连通。在一些情况下，电负载可以包括空中载具的一个或多个马达或驱动单元。在一些情况下，电负载可以是一个或多个辅助蓄电池。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以为一个或多个蓄电池充电。
在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以与所述一个或多个燃料储罐热连通以促进热能从燃料电池向燃料储罐的传递以加热燃料储罐实现氨蒸发。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以与所述一个或多个空气冷却的热交换器热连通以促进向周围环境的排热。在一些情况下，所述一个或多个燃料电池可以与所述一个或多个热交换器热连通以促进热能从燃料电池的传递以蒸发一个或多个液体或液体/气体两相氨流。
在一些情况下，系统还可以包括被配置成基于从所述一个或多个燃料电池输出的期望功率来控制提供给所述一个或多个反应器的所述氨的流的控制器。在一些情况下，期望的功率输出可以至少部分地基于用于控制空中载具的用户输入。在一些情况下，期望的功率输出可以至少部分地基于将空中载具保持在静止位置或移动空中载具所需的功率输出。在一些情况下，控制器可以被配置成关闭所述一个或多个氨流。
在一些情况下，系统还可以包括控制器，其可操作地联接到一个或多个阀以控制(i)去往所述一个或多个反应器的所述氨的流或(ii)去往所述一个或多个燃料电池的氢流。在一些情况下，控制器可以被配置成通过控制所述一个或多个阀的操作来提供动态功率控制。在一些情况下，控制器可以被配置成调制连接到氨储罐的一个或多个阀以维持或达到阈值压力点并增大氨流速和功率输出。在一些情况下，氨流速与氨的流动压力相关。在一些情况下，控制器可以被配置成调制连接到氨储罐的一个或多个阀(例如，电磁阀)以维持或达到阈值流速。
在一些情况下，系统还可以包括控制器和可操作地联接到控制器的一个或多个传感器。在一些情况下，控制器被配置成基于使用所述一个或多个传感器获得的一个或多个测量值来监测所述一个或多个反应器的温度、氨的流动压力和/或所述一个或多个燃料电池的电输出。在一些情况下，控制器可以被配置成使用质量流量计或质量流量控制器监测所述一个或多个氨流的流速。
在一些情况下，控制器可以被配置成在所述一个或多个反应器的温度降低或下降到阈值温度以下时增加空气供给单元功率以增加去往所述一个或多个反应器的一个或多个燃烧器的空气流速。在一些情况下，阈值温度可以为约600℃。在一些情况下，阈值温度可以在约550℃至约650℃之间。在一些情况下，阈值温度可以在约450℃至约700℃之间。在一些情况下，阈值温度可以为约800℃。在一些情况下，阈值温度可以为约300℃至约450℃。
在一些情况下，系统还可以包括用于为空中载具的所述一个或多个马达或驱动单元提供动力的辅助蓄电池。在一些情况下，可以用来自所述一个或多个燃料电池的功率贡献和第二功率源来满足期望的功率输出。在一些情况下，可以控制提供给所述一个或多个反应器的氨流使得由所述一个或多个燃料电池和第二功率源产生的功率的总量满足期望的功率输出。在一些情况下，第二功率源可以包括辅助蓄电池。
在一些情况下，系统可以包括启动反应器。在一些情况下，启动反应器可以被配置成将提供给所述一个或多个反应器的氨的至少一部分裂化以产生氢、氮和/或氨。在一些情况下，启动反应器可以与主反应器和/或燃烧器流体连通。在一些情况下，主反应器被配置成燃烧来自启动反应器的出口流的至少一部分以加热或预热主反应器。在一些情况下，来自启动反应器的出口流可以包含氢及氨或氮中的至少之一。
在一些情况下，氨动力包系统可以遵循启动序列。在一些情况下，启动序列可以包括加热一个或多个反应器的步骤。在一些情况下，启动序列可以包括加热启动反应器的步骤。在一些情况下，可以使用外部电源或通过燃烧燃料来进行所述一个或多个反应器或启动反应器的加热。在一些情况下，外部电源可以是电池(例如，化学电池或蓄电池)。在一些情况下，燃料可以是氢、汽油、柴油、甲醇、乙醇、生物柴油、丙烷、丁烷或任何其他类型的可燃材料。在一些情况下，外部功率源可以是来自电网的电力。
在一些情况下，启动序列可以包括向所述一个或多个反应器和/或启动反应器提供氨(NH3)流以使用所述一个或多个反应器或启动反应器来部分或完全裂化NH3流的步骤。
在一些情况下，启动序列可以包括通过燃烧来自启动反应器的输出流来加热主反应器的一个或多个燃烧器的步骤。在一些情况下，来自启动反应器的输出流可以包含氢和/或氮。在一些情况下，输出流还可以包含氨。
在一些情况下，启动序列可以包括改变(例如，增大或减小)去往所述一个或多个反应器的NH3流速的步骤。在一些情况下，改变去往所述一个或多个反应器的NH3流速将改变转化为生成的氢的NH3的量。在一些情况下，改变去往所述一个或多个反应器的NH3流速可以控制进给到所述一个或多个燃料电池的氢的量。在一些情况下，改变去往所述一个或多个反应器的NH3流速可以控制(i)使用所述一个或多个反应器产生的氢的量或产生氢的速率，和/或(ii)来自所述一个或多个燃料电池的功率输出。在一些情况下，可以通过在完全打开状态与完全关闭状态之间调制阀的位置来改变流速。在一些情况下，可以使用可操作地联接到一个或多个阀的控制器来改变流速。
在一些情况下，启动序列可以包括在所述一个或多个反应器达到目标温度时将包含氢和氮的流引导至吸附剂的步骤。在一些情况下，启动序列可以包括在达到目标NH3流速范围时将包含氢和氮的流引导至吸附剂的步骤。在一些情况下，启动序列可以包括在达到目标NH3分解速率时将包含氢和氮的流引导至吸附剂的步骤。在一些情况下，启动序列可以包括在(i)所述一个或多个反应器达到目标温度、(ii)达到目标NH3流速范围以及(iii)达到目标NH3分解速率时将包含氢和氮的流引导至吸附剂、然后引导至所述一个或多个燃料电池并然后引导至所述一个或多个燃烧器的步骤。
在一些情况下，目标温度可以在约400℃至约600℃之间。在一些情况下，目标温度可以在约350℃至约650℃之间。在一些情况下，目标温度可以为至少约350℃。在一些情况下，目标温度可以在约100℃至约600℃之间。在一些情况下，目标温度可以在约600℃至约800℃之间。
在一些情况下，启动序列可以包括使用所述一个或多个燃料电池处理氢以产生电能或电功率。在一些情况下，启动序列可以包括向负载提供电能或电功率的步骤。在一些情况下，负载可以是用于空中载具的一个或多个马达或驱动单元。在一些情况下，启动序列可以包括将电能或电功率提供给一个或多个传感器、一个或多个部件和/或一个或多个辅助电池的步骤。
用于重整氨的可扩展反应器
在一些方面，本公开提供了一种用于处理氨的系统。所述系统可以包括用于分解氨的一个或多个反应器、定位在所述一个或多个反应器中的至少一个中的一个或多个加热元件以及设置在所述一个或多个加热元件周围或邻近于所述一个或多个加热元件设置以增强流场和加热均匀性的一个或多个流动通道。在一些情况下，所述一个或多个加热元件可以被配置成当包含一种或多种重整气体的流体沿着设置在所述一个或多个加热元件周围或邻近于所述一个或多个加热元件设置的所述一个或多个流动通道流动时加热所述流体。在一些情况下，所述一种或多种重整气体可以包含氨。在一些情况下，系统还可以包括被配置成在由所述一个或多个加热元件加热时分解或裂化氨的一种或多种催化剂。在一些情况下，所述一种或多种催化剂可以设置在所述一个或多个加热元件的外侧或外部。
图55A和55B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的反应器的外视图和内视图。在一些情况下，反应器可以包括多个气体入口和多个气体出口。在一些情况下，气体入口可以被配置成接收待由反应器分解的氨。在一些情况下，气体出口可以被配置成排出氢、氮和/或未转化的氨。在一些情况下，通过气体出口排出的氢和氮可以衍生自被输入到反应器中以进行分解或裂化的氨。
在一些情况下，反应器可以包括一个或多个嵌入的加热元件。在一些情况下，所述一个或多个嵌入的加热元件可以具有与流过反应器的流体热连通的壳或外表面，这可以实现(i)流过反应器(例如，流过围绕嵌入的加热元件的一个或多个流动通道)的流体与(ii)嵌入的加热元件之间改善的热传递。在一些情况下，所述一个或多个加热元件可以被配置成在反应器内提供多个加热区。在一些情况下，所述多个加热区可以具有预定的或可调节的不同温度。在一些情况下，嵌入的加热元件可以包括燃烧加热器、电加热器或包括燃烧加热器和电加热器两者的混合加热元件。在一些情况下，嵌入的加热元件可以通过最小化对加热元件的体积需求来使反应器系统更紧凑。在一些情况下，混合加热元件可以实现更快的启动和响应。在一些情况下，混合加热元件可以产生体积更紧凑的反应器系统。在一些情况下，混合加热元件可以使得能够更容易地控制温度。在一些情况下，混合加热元件可以使得能够装载多种催化剂材料。在一些情况下，可以使用混合加热元件来控制多个区域的温度。
在一些情况下，嵌入的加热元件可以包括具有不同的启动和响应时间的不同类型的加热器。例如，电加热器可以具有比燃烧加热器快的响应或加热时间。虽然可以使用燃烧加热器来加热，但在反应器启动期间，电加热器可能能够比燃烧加热器更快地产生热量。在一些情况下，电加热器可以产生热量以将反应器温度快速升高到理想的温度范围。在一些情况下，当存在突然的温度变化时，可以调制电加热器的热生成速率以快速响应于突然的温度变化。在一些情况下，燃烧加热器可以快速生成热或热能并且通过向燃烧器供给额外的空气而快速响应于突然的温度变化。在一些情况下，本文所述的嵌入的加热元件可以包括燃烧加热器和电加热器两者。在一些情况下，具有一个或多个嵌入的电加热器的一个或多个反应器可以与具有一个或多个嵌入的燃烧加热器的一个或多个反应器串联或并联连接。在本文描述的任何实施方案中，燃烧加热器和电加热器可以沿着相应反应器的纵向轴线在空间上串联地布置或在空间上并联地布置。
图60示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的在重整器的流动通道中的气体流动路径。在一些情况下，氨可以被引导为沿着流动通道内的气体流动路径流动。在一些情况下，催化剂可以定位在流动通道中和/或沿着氨的气体流动路径定位使得当氨沿着流动通道内的气体流动路径流动时氨与催化剂接触。
图56、58A和58B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的重整器的顶视图和横截面内视图。在一些情况下，催化剂可以具有取决于温度的氨分解效率。在一些情况下，温度的精确控制(空间上和时间上两者)可以通过提供加热催化剂的理想温度范围和尽可能均匀且尽可能快地流过重整器的一种或多种气体来增强反应器的性能。在一些情况下，本文描述的嵌入的加热元件可以用于将所述一种或多种催化剂加热到一个或多个理想的温度范围。在一些情况下，催化剂可以设置在加热元件的外侧。在一些情况下，定位在加热元件的外侧的催化剂可以与加热元件热连通以实现加热元件与催化剂之间的热能传递。在一些情况下，可以在加热元件的外侧设置延伸表面以增强催化剂与加热元件之间的热连通。在一些情况下，所述一种或多种气体和/或催化剂可以具有相对低的导热率。在一些情况下，可以在流动通道内设置延伸表面(例如，翅片和/或挡板)以增加热传递。在一些情况下，可以在外壳通道内设置延伸表面(例如，翅片和/或挡板)以增加热传递。
在一些情况下，所述一个或多个反应器可以包括(i)用于使来自一个或多个气体入口的重整气体沿着所述一个或多个加热元件的一部分经过的第一流动路径和(ii)用于将重整物气体引导至一个或多个气体出口的第二流动路径。在一些情况下，重整气体可以包含氨。在一些情况下，重整物气体可以包含氢和/或氮。在一些情况下，第一流动路径可以直接连接到第二流动路径，以使得流体能够在第一流动路径与第二流动路径之间流动。图56、58A和58B示意性地示意了反应器内具有各种不同横截面形状或轮廓的第一流动路径(实线箭头，5601)和第二流动路径(虚线箭头，5602)。在一些情况下，第一流动路径可以沿着加热元件的长度从反应器的气体入口延伸直至反应器中的气体转向点，之后沿着第一流动路径流动的气体可以经由气体转向点进入第二流动路径。在一些情况下，第二流动路径可以沿着加热元件的长度朝向反应器的气体出口延伸回。
在一些情况下，第一流动路径和第二流动路径可以在不同的方向上取向。在一些情况下，第一流动路径和第二流动路径可以在相反的方向上取向。在一些情况下，第一流动路径的一部分和第二流动路径的一部分可以在相反的方向上取向。
在一些情况下，进入反应器的重整气体可以具有比离开反应器的重整物气体低的温度。在一些情况下，进入反应器的气体可以沿着第一流动路径流动，并且离开反应器的气体可以沿着第二流动路径流动。如上所述，第一流动路径和第二流动路径可以使进入反应器的气体与离开反应器的气体热连通。在一些情况下，第一流动路径或第二流动路径或两个流动路径可以具有热传递增强机构，如流动通道内的金属翅片或延伸表面。通过在进入反应器的气体与离开反应器的气体之间实现热能的传递，进入反应器的气体可以由离开反应器的气体加热或预热，这可以促进进入反应器的气体的加热和分解。在一些情况下，可以使用在所述一个或多个反应器外侧的一个或多个热交换器或热回收单元来在冷进入流进入反应器之前在反应器出口流与冷进入流之间交换热量。
在一些情况下，第一流动路径和第二流动路径可以邻近于彼此定位以实现(i)经由所述一个或多个气体入口进入所述一个或多个反应器的所述一种或多种重整气体与(ii)经由气体出口离开所述一个或多个反应器的一种或多种重整物气体之间的热能传递。在一些情况下，所述一个或多个加热元件中的每个单独的加热元件可以包括一个或多个专用流动通道。在一些情况下，所述一个或多个加热元件可以各自包括不同的相应流动通道。在一些情况下，流动通道可以包括一个或多个内部热传递增强机构，如翅片或延伸表面。在一些情况下，反应器中的外壳(在气体转向之后)可以用作进入的冷气体与外出的热重整气体之间的热交换通道。在一些情况下，外壳可以包括一个或多个内部热传递增强机构，如翅片或延伸表面。
在一些情况下，所述一个或多个反应器可以包括一个或多个封闭的或部分封闭的区域，所述一个或多个封闭的或部分封闭的区域(i)包括所述一个或多个流动通道并且(ii)围绕所述一个或多个加热元件。在一些实施方案中，所述一个或多个封闭的或部分封闭的区域可以允许所述一种或多种重整气体在所述一个或多个加热元件周围经过以促进所述一个或多个加热元件与所述一种或多种重整气体之间的热传递和流场均匀性。
在一些情况下，所述一个或多个加热元件可以包括与沿着所述一个或多个流动通道流动或流过所述一个或多个流动通道的流体热连通的一个或多个外表面。在一些情况下，所述一种或多种催化剂邻近于所述一个或多个加热元件的外表面和/或与所述一个或多个加热元件的外表面热连通地设置。在一些情况下，所述一种或多种催化剂可以位于或设置在所述一个或多个流动通道内。在一些情况下，所述一个或多个流动通道可以包括圆形横截面以实现流体的均匀加热。在一些情况下，在嵌入的加热元件外部的反应器容积可以用所述一种或多种催化剂填充。在一些情况下，在嵌入的加热元件外部的反应器容积可以包括所述一个或多个流动通道。
如本文别处所述，在一些情况下，反应器可以包括圆形横截面。圆形横截面可以实现催化剂的均匀加热，因为催化剂设置在距嵌入的加热单元一致或相似的径向距离处。圆形横截面还可以实现反应器内更均匀的温度和/或流动分布。在一些情况下，反应器内温度和/或流动分布改善的空间均匀性可以实现反应器内催化剂的更均匀加热，使得催化剂被共同加热至理想的温度范围。
在一些情况下，可以调节或优化加热元件周围的流动通道的横截面尺寸和/或形状以增强流动均匀性。在一些情况下，可以根据输入到指定加热元件的预定加热功率来改变通过流动通道的流速。在一些情况下，多个气体出口可以改善流动均匀性。例如，图62A-62D示出了根据本公开的一个或多个实施方案的包括两个或四个气体出口的反应器。在一些情况下，四个气体出口对称地定位，使得从反应器出来的气体流被引导至反应器的四个侧中的每一个。在一些情况下，多个气体出口可以对称地定位。在一些情况下，多个气体出口可以具有大体上相等的横截面积。在一些情况下，多个气体出口可以定位在反应器的一端上。在一些情况下，多个气体出口可以定位在反应器的多个侧上。在一些情况下，流动通道可以包括一个或多个挡板以引起湍流、混合、增加流动停留时间和/或增强流动均匀性和热传递。在一些情况下，增加流动路径的长度(例如，通过使用挡板)可以增加流动停留时间并导致(i)嵌入的加热元件与(ii)流过反应器或重整器的气体之间更好的流动均匀性和热传递。
图63A示出了当前公开的反应器设计的热重整效率随氨流速变化的曲线图。仅使用电焦耳加热进行测量。入口氨气流在约25℃下。在热的出口流(约400-500℃)与冷的入口流(约25℃)之间并入一个或多个热交换器可以显著提高热重整效率(例如，92-95％或更高)。测试了高达约300标准升/分钟(LPM)的氨流，其中该流99％转化为氢，相当于从燃料电池输出约40kW电功率。因此，扩展反应器设计以支持100+kW操作可能是可以的，例如，使用具有更长长度、或更大通道尺寸和加热元件、或更多通道和加热元件的反应器或通过堆叠模块化反应器。反应器可以在外形尺寸上以很高的灵活性构造，这可以使得能够在系统中使用多个模块化反应器。
还测试了缺乏流动通道的一些设计。在缺乏流动通道的一些设计中，效率和转化率在测量范围之外(即，氨转化率低于80％)。在缺乏流动通道的一些设计中，发现若干加热元件由于热传递不足而过热。
在一些情况下，本文公开的反应器可以具有至少约90％的热重整效率。在一些情况下，本文公开的反应器可以具有至少约50％、60％、70％、80％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的热重整效率。在一些情况下，本文公开的反应器可以具有至多约50％、60％、70％、80％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或100％的热重整效率。
图63B示出了当前公开的反应器设计的氨转化效率随氨流速变化的曲线图。在一些情况下，反应器可以具有至少约95％的氨转化效率。在一些情况下，反应器可以具有至少约50％、60％、70％、80％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的氨转化效率。在一些情况下，反应器可以具有至多约50％、60％、70％、80％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或100％的氨转化效率。
本公开的反应器可以适当地设定大小以产生各种功率水平。在一些情况下，反应器可以被配置成输出至少约25千瓦的功率。在一些情况下，反应器被配置成输出至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、200、300、400或500千瓦的功率。在一些情况下，反应器可以被配置成输出至多约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、200、300、400或500千瓦的功率。在一些情况下，反应器可以被配置成输出至多约0.1、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50兆瓦的功率。
在一些情况下，系统还可以包括用于分解氨的多种不同催化剂。在一些情况下，所述多种不同催化剂可以与所述一个或多个加热元件中的至少一个热连通。图59A和59B示意性地示意了根据本公开的一个或多个实施方案的具有两种催化剂的反应器的外视图和内视图。在一些情况下，两种催化剂可以设置在两个不同的区域或加热区(例如，低温区域和高温区域)中。在一些情况下，可以在第一区域中设置在较低温度下有效的第一催化剂，并且可以在第二区域中设置在较高温度下有效的第二催化剂。在一些情况下，第一区域可以比第二区域更靠近反应器的气体入口和/或气体出口。在一些情况下，具有一个或多个加热元件的一个或多个反应器可以与具有一个或多个加热元件的一个或多个反应器流体连通。例如，串联或并联流体连通的多个模块化反应器可以增加总体氢生成输出。在一些情况下，具有一个或多个电加热元件的一个或多个反应器可以与具有一个或多个燃烧加热元件的一个或多个反应器流体连通。在一些情况下，具有一个或多个电加热元件的一个或多个反应器可以在比具有一个或多个燃烧加热元件的一个或多个反应器低的温度下操作。在这种情况下，电加热反应器的出口流可以作为入口流进入燃烧加热反应器以进一步提高氨转化和/或热重整效率。在一些情况下，具有一个或多个燃烧加热元件的一个或多个反应器可以在比具有一个或多个电加热元件的一个或多个反应器低的温度下操作。在一些情况下，燃烧加热反应器的出口流可以作为入口流进入电加热反应器以进一步提高氨转化率和/或热重整效率。
在一些情况下，所述多种不同的催化剂可以包括具有第一组氨重整性质的第一催化剂和具有第二组氨重整性质的第二催化剂。在一些情况下，氨重整性质可以包括例如随温度变化的热重整效率或随氨转化率变化的热重整效率。在一些情况下，第一催化剂和第二催化剂可以与不同的加热元件、相同加热元件的不同位置或区域或由所述一个或多个加热元件产生的不同加热区热连通。在一些情况下，所述一个或多个加热元件可以被配置成在反应器内提供多个加热区。在一些情况下，所述多个加热区可以具有预定的或可调节的不同温度。
在一些情况下，第一催化剂和第二催化剂可以具有分解氨的不同理想温度范围。在一些情况下，第一催化剂和第二催化剂可以设置在反应器内的不同区域或加热区中，使得第一催化剂和第二催化剂被加热至其相应的理想温度范围。在一些情况下，第一催化剂可以被加热至比第二催化剂低的温度范围。在一些情况下，第一催化剂可以被加热至比第二催化剂高的温度范围。在一些情况下，第一催化剂和第二催化剂可以与不同的加热元件、相同加热元件的不同位置或区域或由所述一个或多个加热元件产生的不同加热区热连通。在一些情况下，第一催化剂和第二催化剂可以被分到彼此流体连通的不同反应器中。
在一些情况下，所述一个或多个加热元件可以被配置成(i)控制所述一个或多个加热元件或所述一个或多个反应器的不同区域的温度，或(ii)调节所述一个或多个反应器内一个或多个加热区的位置以优化氨热重整效率和/或转化效率。
在一些情况下，系统还可以包括被配置成通过调制一个或多个流动控制单元来控制进入所述一个或多个流动通道中的氨流的控制器。在一些情况下，控制器可以被配置成基于所述一个或多个加热元件中的每一个的加热功率输入来控制氨的流动。在一些情况下，系统还可以包括被配置成控制所述一个或多个加热元件的操作或温度的控制器。在一些情况下，控制器可以设置或维持反应器内的均匀温度分布。在一些情况下，均匀的温度分布可以对应于温度或加热的空间或时间均匀性。在一些情况下，控制器可以维持反应器内一个或多个通道之间的均匀流速分布。
在一些情况下，系统还可以包括在反应器的热出口流与冷入口流之间的一个或多个热交换器。在一些情况下，控制器可以被配置成运行启动方案以在预定时间量内将反应器加热到预定温度范围。在一些情况下，控制器可以可操作地联接到一个或多个传感器以感测(i)所述一个或多个加热元件的温度，或(ii)氨或氢/氮混合物进入流动通道或从通道出来的流速，或(iii)所述一个或多个反应器的各种位置中的一个或多个压力。在一些情况下，控制器可以被配置成实施一个或多个控制回路(例如，比例积分微分(PID)、比例积分(PI)或比例(P)控制回路)以调制温度。在一些情况下，控制加热元件的操作可以涉及控制输入到加热元件的加热功率。在一些情况下，所述一个或多个流动控制单元可以包括一个或多个阀和/或一个或多个压力传感器。
本文公开的反应器可以包括各种形状或尺寸。例如，图55A和55B示意性地示意了具有圆形横截面并具有多个气体入口和多个气体出口的反应器的外视图和内视图。在另一个实例中，图57A和57B示意性地示意了具有正方形横截面并具有多个气体入口和多个气体出口的反应器的外视图和内视图。图61示出了各种反应器配置的另外的非限制性实例。在一些情况下，反应器可以包括各种其他横截面形状或轮廓，包括但不限于三角形、矩形、五边形、六边形、七边形或八边形形状或轮廓。在一些情况下，所述一个或多个反应器可以包括包含圆形、椭圆形、卵形或包括三条边或更多条边的任何多边形的横截面形状。在一些情况下，所述一个或多个反应器可以包括类似于流动通道的横截面形状的横截面形状。在一些情况下，所述一个或多个反应器可以包括不同于流动通道的横截面形状的横截面形状。
在一些情况下，反应器的横截面形状可以允许多个反应器的堆叠。在一些情况下，多个反应器可以水平地(即，平放)或竖直地(即，直立)堆叠。在一些情况下，多个反应器可以以矩形或正方形网格图案堆叠。在一些情况下，多个反应器可以以六边形网格图案(即，蜂窝状)堆叠。在一些情况下，多个反应器可以线性地堆叠和连接。
本文公开的反应器可以包括任何数量的气体入口和气体出口。在一些情况下，反应器可以包括一个或多个气体入口或气体出口。在一些情况下，反应器可以包括两个或更多个气体入口或气体出口。在一些情况下，反应器可以包括单个气体入口和/或单个气体出口。在一些情况下，反应器可以包括单个气体入口和/或单个气体出口，而流动被内部分配至一个或多个流动通道。在一些情况下，反应器可以包括至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100个气体入口或气体出口。在一些情况下，反应器可以包括至多约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100个气体入口或气体出口。
在一些情况下，所述一个或多个气体入口可以平行于反应器的纵向方向取向。在一些情况下，所述一个或多个气体入口可以垂直于反应器的纵向方向取向。在一些情况下，所述一个或多个气体出口可以平行于反应器的纵向方向取向。在一些情况下，所述一个或多个气体出口可以垂直于反应器的纵向方向取向。气体入口和/或气体出口可以相对于反应器在任何方向上取向。
反应器可以包括各种长宽比。图62A-62D示出了根据本公开的一个或多个实施方案的具有不同长宽比的反应器设计的实例。图62A示出了具有正方形外形尺寸的第一设计。图62B示出了具有正方形外形尺寸但长度比第一设计长50％的第二设计。图62C示出了具有正方形外形尺寸但流动通道和加热器直径比第一设计大50％的第三设计。图62D示出了具有圆柱形外形尺寸的第四设计，其具有与第二设计相同的流动通道和加热器直径。在一些情况下，反应器的长度可以比反应器的宽度或直径长至少约5倍。在一些情况下，反应器的长度可以比反应器的宽度或直径长至少约2、3、4、5、6、7、8、9或10倍。在一些情况下，反应器的长度可以比反应器的宽度或直径长至多约2、3、4、5、6、7、8、9或10倍。在一些情况下，反应器的长度可以比反应器的宽度或直径长至多约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100倍。
在本文描述的任何实施方案中，系统或动力包单元可以包括变压吸附(PSA)或膜分离单元。PSA或膜分离单元可以被配置成从所述一个或多个反应器的出口流移除氮。PSA或膜分离单元可以位于或定位在与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂的下游。PSA或膜分离单元可以位于或定位在一个或多个燃料电池的上游。在一些情况下，PSA或膜分离单元可以被进一步配置成从来自所述一种或多种吸附剂或所述一个或多个反应器的出口流移除痕量氨。在一些情况下，PSA或膜分离单元可以被配置成处理来自所述一种或多种吸附剂或所述一个或多个反应器的出口流以产生包含氮和氢的排放流。在一些情况下，该排放流可以被供给至所述一个或多个反应器的燃烧加热器。
在一些实施方案中，系统或动力包单元可以包括一个或多个燃烧器。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以消耗由氨重整产生的总氢的约15％至50％作为燃烧燃料。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以消耗由氨重整产生的总氢的约30％至40％作为燃烧燃料。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以消耗由氨重整产生的总氢的约25％至45％作为燃烧燃料。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以消耗由氨重整产生的总氢的小于约30％作为燃烧燃料。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以消耗由氨重整产生的总氢的小于约25％作为燃烧燃料。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以消耗由氨重整产生的总氢的小于约80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％或10％作为燃烧燃料。在一些情况下，所述一个或多个燃烧器可以消耗由氨重整产生的总氢的多于约80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％或0％作为燃烧燃料。
在本文所述的实施方案中的一个或多个中，至少部分地嵌入在一个或多个反应器中的一个或多个电加热器可以仅在启动操作期间提供加热。在一些情况下，所述一个或多个电加热器在操作期间通过自动打开和关闭电加热器(例如，基于反应器和/或加热器中测得的温度)或通过手动打开和关闭电加热器(例如，基于对输入装置如按钮、开关、旋钮、鼠标、键盘等的用户输入)而间歇地打开和关闭。在一些情况下，所述一个或多个电加热器在操作期间提供总加热功率需求的约30％至50％。在一些情况下，所述一个或多个电加热器在操作期间提供总加热功率需求的约15％至40％。在一些情况下，所述一个或多个电加热器在操作期间提供总加热功率需求的小于15％。在一些情况下，所述一个或多个电加热器在操作期间提供总加热功率需求的约50％至70％。在一些情况下，所述一个或多个电加热器间歇地提供总加热功率需求的至少70％。在一些情况下，所述一个或多个电加热器间歇地提供总加热功率需求的约100％。在一些情况下，总加热功率需求基于的是维持自热重整的焦耳加热和燃烧能量输入的总和。
在本文描述的任何实施方案中，系统或动力包单元可以输出约20％至60％的氨低位热值到有用电力转换效率。在一些情况下，系统或动力包单元可以输出约30％至50％的氨低位热值到有用电力转换效率。在一些情况下，系统或动力包单元可以输出约35％至45％的氨低位热值到有用电力转换效率。在一些情况下，系统或动力包单元可以输出大于约35％的氨低位热值到有用电力转换效率。
在本文描述的任何实施方案中，至少部分地嵌入在一个或多个反应器中的一个或多个燃烧加热器可以具有小于5巴的跨所述一个或多个燃烧加热器的燃烧燃料和空气流压降。在一些情况下，一个或多个燃烧加热器可以具有小于2巴的跨所述一个或多个燃烧加热器的燃烧燃料和空气流压降。在一些情况下，一个或多个燃烧加热器可以具有小于1巴的跨所述一个或多个燃烧加热器的燃烧燃料和空气流压降。在一些情况下，一个或多个燃烧加热器可以具有小于0.5巴的跨所述一个或多个燃烧加热器的燃烧燃料和空气流压降。
在本文描述的任何实施方案中，系统或动力包单元可以用于固定应用和/或移动应用。固定应用可以涉及为非移动应用或平台产生电力或氢(例如，以向网络或电网供给功率和/或氢)。移动应用涉及为移动应用或平台(例如，载具或其他可移动平台)产生电力和/或氢。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施方案，但对于本领域技术人员来说显而易见的是，这样的实施方案仅作为实例提供。本发明不旨在受说明书内提供的具体实例的限制。虽然已经参考前述说明书描述了本发明，但本文的实施方案的描述和图示并不意味着在限制意义上解释。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员将想到许多变化、改变和置换。此外，应理解，本发明的所有方面不限于本文阐述的具体绘示、配置或相对比例，其将取决于各种条件和变量。应理解，在实践本发明时可以采用本文描述的本发明的实施方案的各种替代方案。因此，预期本发明还应涵盖任何这样的替代方案、修改、变型或等同物。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并由此涵盖在这些权利要求及其等同物的范围内的方法和结构。
Claims (95)
1.一种系统，所述系统包括：
与一个或多个氨源流体连通的一个或多个反应器，其中所述一个或多个反应器包含一种或多种催化剂；和
与所述一种或多种催化剂热连通的多个加热元件，
其中所述一个或多个反应器被配置成使用所述一种或多种催化剂和所述多个加热元件，从由所述一个或多个氨源提供或自所述一个或多个氨源接收的氨产生或生成氢，
其中所述多个加热元件包括至少一个电加热器和至少一个燃烧加热器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器包括第一反应器和与所述第一反应器流体连通的第二反应器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一反应器包括(i)第一催化剂和(ii)被配置成加热所述第一催化剂的启动加热单元，其中所述第一催化剂被配置成从所述氨产生或提取所述氢。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述启动加热单元包括所述至少一个电加热器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述至少一个电加热器包括用于使电流经过所述第一催化剂以加热所述第一催化剂的一个或多个电极。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二反应器包括(i)第二催化剂和(ii)被配置成加热所述第二催化剂的一个或多个主加热单元，其中所述第二催化剂被配置成从所述氨产生或提取所述氢。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述一个或多个主加热单元包括所述至少一个燃烧加热器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个燃烧加热器被配置成通过燃烧由所述第一反应器生成的所述氢来加热所述第二催化剂的至少一部分。
9.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括所述一个或多个氨源。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述一个或多个氨源包括一个或多个液体燃料储罐，其中所述氨以液态氨形式储存在所述一个或多个液体燃料储罐中。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述液态氨储存在约15至约30℃的范围内的温度下和7至12巴的范围内的绝对压力下。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述液态氨储存在约大气压至约20巴的范围内的表压下。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述液态氨储存在约-40至约20℃的范围内的温度下和约0.5巴至约9巴的范围内的绝对压力下。
14.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池。
15.根据权利要求14所述的系统，所述系统还包括与所述一个或多个反应器和所述一个或多个燃料电池流体连通的一种或多种吸附剂，其中所述一种或多种吸附剂被配置成从来自所述一个或多个反应器的出口流滤出或移除未转化的氨。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述一种或多种吸附剂被配置成向所述一个或多个燃料电池提供经过滤的反应器出口流。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述一个或多个燃料电池被配置成(i)从所述一种或多种吸附剂接收所述经过滤的反应器出口流，(ii)处理所述经过滤的反应器出口流以产生电力，和(iii)输出包含未转化的氢的燃料电池出口流。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述多个加热元件中的一个或多个加热元件与所述燃料电池出口流流体连通和/或热连通。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述一个或多个加热元件被配置成燃烧所述未转化的氢以便加热所述一种或多种催化剂。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器包括用于所述氨的一个或多个流动通道，其中所述一个或多个流动通道(i)围绕所述多个加热元件中的至少一个加热元件并(ii)允许所述氨的流围绕所述至少一个加热元件以促进所述加热元件与所述氨之间的热传递。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器包括邻近于所述多个加热元件的一个或多个流动通道，其中所述流动通道允许所述氨的流邻近于所述一个或多个加热元件或沿着所述一个或多个加热元件以促进所述一个或多个加热元件与所述氨之间的热传递。
22.根据权利要求20或21所述的系统，其中所述一个或多个流动通道中的每一个相对于纵向轴线与所述一个或多个加热元件中的相应一个同心或同轴。
23.根据权利要求20或21所述的系统，其中所述多个加热元件与沿着所述一个或多个流动通道流动或流过所述一个或多个流动通道的所述氨流体连通和/或热连通。
24.根据权利要求20或21所述的系统，其中所述一个或多个流动通道设置在所述加热元件周围或邻近于所述加热元件设置以增强流场和加热均匀性。
25.根据权利要求20或21所述的系统，其中所述加热元件被配置成，在所述氨沿着设置在所述加热元件周围或邻近于所述加热元件设置的所述一个或多个流动通道流动或流过设置在所述加热元件周围或邻近于所述加热元件设置的所述一个或多个流动通道时，加热所述氨。
26.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个燃烧加热器被配置成燃烧来自所述一个或多个反应器的出口流以产生用于加热所述一个或多个反应器的热能。
27.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个燃烧加热器被配置成燃烧来自与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂的出口流，以产生用于加热所述一个或多个反应器的热能。
28.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个燃烧加热器被配置成燃烧来自与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池的出口流，以产生用于加热所述一个或多个反应器的热能。
29.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个燃烧加热器包括旋流燃烧器、扩散火焰燃烧器、微混合器燃烧器或其任何组合。
30.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个燃烧加热器的排气可用于加热或预热所述氨。
31.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个燃烧加热器被配置成燃烧空气和包含氢的燃烧燃料的混合物。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述至少一个燃烧加热器包括用于在所述至少一个燃烧加热器的燃烧区域的上游混合或预混合所述空气和所述燃烧燃料的一个或多个区。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述一个或多个区中的每一个被配置成燃烧或预燃烧所述空气和燃烧燃料的混合物的至少一部分，以在整个所述燃烧加热器中均匀地分布热量并降低局部热点温度。
34.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个加热元件包括混合加热单元，所述混合加热单元包括所述至少一个电加热器和所述至少一个燃烧加热器。
35.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一反应器包括所述至少一个电加热器，并且其中所述第二反应器包括所述至少一个燃烧加热器。
36.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一反应器和所述第二反应器串联地流体连通，使得所述第一反应器的第一出口流进入所述第二反应器。
37.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一反应器和所述第二反应器并联地流体连通，使得所述第一反应器的第一出口流和所述第二反应器的第二出口流合并以形成合并的出口流。
38.根据权利要求1所述的系统，其中所述一种或多种催化剂邻近于所述加热元件的一个或多个外表面和/或与所述加热元件的一个或多个外表面热连通地设置。
39.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器包括选自圆形、椭圆形、卵形和包括三条边或更多条边的任何多边形的横截面形状。
40.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器包括具有选自圆形、椭圆形、卵形和包括三条边或更多条边的任何多边形的横截面形状的一个或多个流动通道。
41.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器中的每一个包括类似于所述一个或多个反应器的每个相应的反应器的流动通道的横截面形状的横截面形状。
42.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器中的每一个包括不同于所述一个或多个反应器的每个相应的反应器的流动通道的横截面形状的横截面形状。
43.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器包括(i)用于包含所述氨的重整气体的第一流动路径和(ii)用于由处理所述重整气体生成的重整物气体的第二流动路径。
44.根据权利要求43所述的系统，其中所述第一流动路径允许所述重整气体沿着所述多个加热元件的至少一部分流动。
45.根据权利要求43所述的系统，其中所述第二流动路径允许所述重整物气体流向所述反应器的一个或多个出口。
46.根据权利要求43所述的系统，其中所述第一流动路径和所述第二流动路径在不同的方向上取向。
47.根据权利要求43所述的系统，其中所述第一流动路径和所述第二流动路径彼此流体连通，以实现所述重整气体与所述重整物气体之间的热传递。
48.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括一个或多个热交换器。
49.根据权利要求48所述的系统，其中所述一个或多个热交换器被配置成在所述一个或多个反应器的出口流与来自所述一个或多个氨源的所述氨的流之间交换热量。
50.根据权利要求48所述的系统，其中所述一个或多个热交换器被配置成促进(i)来自所述一个或多个氨源的所述氨的流与(ii)与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池之间的热能传递，以便蒸发所述氨。
51.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括一个或多个控制单元以调制所述一个或多个反应器的出口流和/或所述多个加热元件的温度。
52.根据权利要求51所述的系统，其中所述一个或多个控制单元包括控制器和可操作地联接到所述控制器的一个或多个传感器。
53.根据权利要求52所述的系统，其中所述控制器被配置成至少部分地基于使用所述一个或多个传感器获得的一个或多个测量值来监测和控制(i)所述一个或多个反应器的温度、(ii)所述氨和/或氢的流动压力、和/或(iii)与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池的电输出。
54.根据权利要求52所述的系统，其中所述控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度来减小或增大去往所述至少一个燃烧加热器的空气流速、减小或增大去往所述至少一个燃烧加热器的燃烧燃料流速、或减小或增大去往所述至少一个燃烧加热器的所述空气流速和所述燃烧燃料流速两者。
55.根据权利要求54所述的系统，其中所述控制器被配置成使用风扇、鼓风机或压缩机来增大所述空气流速。
56.根据权利要求54所述的系统，其中所述控制器被配置成通过增大氨流速或减少燃料电池氢消耗来增大所述燃烧燃料流速。
57.根据权利要求52所述的系统，其中所述控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度来减小或增大所述一个或多个燃料电池的功率输出。
58.根据权利要求52所述的系统，其中所述控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度或一个或多个燃料电池的功率输出来增大去往所述一个或多个反应器的所述氨的流速。
59.根据权利要求58所述的系统，其中所述控制器被配置成使用阀和/或泵来增大所述氨的流速。
60.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置成以至少约50L/min STP的氨气的速率重整所述氨。
61.根据权利要求52所述的系统，其中所述控制器被配置成基于所述一个或多个反应器的温度来增大或减小供给至所述至少一个电加热器的电功率。
62.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括至少约600Wh/kg或至少约400Wh/L的能量密度。
63.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括小于约30巴的操作压力。
64.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括变压吸附(PSA)单元以从所述一个或多个反应器的出口流移除氮。
65.根据权利要求64所述的系统，其中所述PSA位于或定位在与所述一个或多个反应器流体连通的一种或多种吸附剂的下游。
66.根据权利要求64所述的系统，其中所述PSA单元产生包含氮和氢的排放流，其中所述排放流被供给至所述至少一个燃烧加热器。
67.根据权利要求16所述的系统，其中所述经过滤的反应器出口流包含小于100ppm的氨。
68.根据权利要求16所述的系统，其中所述一种或多种吸附剂被配置成通过与嵌入在所述一种或多种吸附剂中的一个或多个电加热器、来自所述至少一个燃烧加热器的排气和/或来自所述一个或多个反应器的出口流交换热量来再生。
69.根据权利要求68所述的系统，其中所述一种或多种吸附剂可用一种或多种新的或再生的吸附剂替换。
70.根据权利要求1所述的系统，其中所述一种或多种催化剂包含载体和选自钌、镍、铑、铱、钴、铁、铂、铬、钯、钼、钽或铜的至少一种金属。
71.根据权利要求70所述的系统，其中所述一种或多种催化剂用选自Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Ba、Sr、La、Ce、Pr、Sm或Gd的至少一种金属促进。
72.根据权利要求70所述的系统，其中所述载体包含选自以下的至少一种材料：Al2O3、MgO、CeO2、ZrO2、La2O3、SiO2、Y2O3、TiO2、SiC、六角BN(氮化硼)、BN纳米管、碳化硅、一种或多种沸石、LaAlO3、CeAlO3、MgAl2O4、CaAl2O4或一种或多种碳纳米管。
73.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一反应器被配置成开始所述氨的重整过程。
74.根据权利要求73所述的系统，其中使用所述至少一个电加热器或经过所述一种或多种催化剂的电流来开始所述重整过程。
75.根据权利要求74所述的系统，其中在开始所述重整过程之后停用所述至少一个电加热器或所述电流。
76.根据权利要求14所述的系统，其中所述一个或多个燃料电池消耗小于90％的来自所述一个或多个反应器的氢，并输出包含剩余的未转化的氢的一个或多个出口流。
77.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器的操作温度小于900℃。
78.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括一个或多个泵以供给所述氨并增大所述氨的流动压力。
79.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统不产生碳排放。
80.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个反应器的燃料重整或转化大于约90％。
81.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统的燃料热值到有用电能输出效率为至少约25％且至多约50％。
82.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括一个或多个蓄电池、一个或多个DC/DC转换器和一个或多个马达以为移动载具提供动力。
83.根据权利要求82所述的系统，其中所述一个或多个蓄电池提供动力以启动所述系统。
84.根据权利要求83所述的系统，其中所述一个或多个蓄电池被配置成通过向所述至少一个电加热器供给所述功率来提供动力以启动所述系统。
85.根据权利要求82所述的系统，所述系统还包括用于产生功率的一个或多个燃料电池，其中使用所述一个或多个燃料电池产生的所述功率在启动过程开始或完成之后对所述一个或多个蓄电池充电。
86.根据权利要求85所述的系统，其中所述一个或多个燃料电池为所述移动载具提供大体上稳定的功率或负载，并且其中所述一个或多个电池实现动态负载跟随能力。
87.根据权利要求86所述的系统，其中所述移动载具包括空中载具、无人驾驶空中载具、海上或水上载具或陆地载具。
88.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括用于产生功率的一个或多个燃料电池，其中使用所述一个或多个燃料电池产生的所述功率被供给至固定或非移动平台或网络。
89.根据权利要求88所述的系统，其中所述固定或非移动平台或网络包括电网。
90.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个加热元件至少部分地嵌入在所述一个或多个反应器中。
91.一种系统，所述系统包括：
与一个或多个氨源流体连通的一个或多个反应器；和
至少部分地定位在所述一个或多个反应器内的至少一个加热元件，
其中所述一个或多个反应器包括围绕所述至少一个加热元件的多个通道，以增强从所述一个或多个氨源接收或由所述一个或多个氨源提供的氨的流场和加热均匀性，其中所述多个通道为所述氨提供邻近于所述至少一个加热元件的流动路径，以促进所述至少一个加热元件与所述氨之间的热能传递。
92.一种系统，所述系统包括：
一个或多个反应器，其被配置成将提供给所述一个或多个反应器的氨至少部分地分解以产生氢、氮和/或氨；和
与所述一个或多个反应器流体连通的一个或多个燃料电池，其中所述一个或多个燃料电池被配置成接收和处理所述氢以产生电能，
其中所述一个或多个反应器和所述一个或多个燃料电池被配置成安装在空中载具上或安装到空中载具，其中所述一个或多个燃料电池与所述空中载具的一个或多个马达或驱动单元电连通，以驱动所述空中载具的所述一个或多个马达或驱动单元。
93.一种方法，所述方法包括：
(a)使用一个或多个反应器处理氨以产生或生成氢，其中所述一个或多个反应器包括(i)一种或多种催化剂和(ii)与所述一种或多种催化剂热连通的多个加热元件，其中所述多个加热元件包括至少一个电加热器和至少一个燃烧加热器；以及
(b)将所述氢提供给一个或多个燃料电池以产生电能。
94.一种系统，所述系统包含：
包括多个反应器的氨处理单元，其中所述多个反应器包括一个或多个电反应器，其中所述一个或多个电反应器被配置成(i)处理氨以生成氢和(ii)将所述氢的至少一部分提供给一个或多个燃烧反应器和/或与所述一个或多个电反应器和/或所述一个或多个燃烧反应器流体连通的一个或多个燃料电池。
95.一种方法，所述方法包括：
(a)将电反应器加热至第一目标温度；
(b)使用所述电反应器重整氨以产生包含至少氢的燃料；
(c)通过燃烧(b)中产生的所述燃料来将燃烧反应器加热至第二目标温度；以及
(d)向所述燃烧反应器提供另外的氨，其中所述燃烧反应器被配置成(i)分解所述另外的氨以生成另外的氢和(ii)将所述另外的氢提供给一个或多个燃料电池。
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