ES2375136A1 - Generador de hidrógeno, motor de combustión interna que quema amoniaco, y célula de combustible. - Google Patents

Generador de hidrógeno, motor de combustión interna que quema amoniaco, y célula de combustible. Download PDF

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Abstract

Un generador de hidrógeno que comprende: una primera parte de conversión de amoniaco que tiene un material de generación de hidrógeno que reacciona con amoniaco en un primer intervalo de temperaturas para generar hidrógeno; una segunda parte de conversión de amoniaco que tiene un catalizador de descomposición de amoniaco que descompone amoniaco en hidrógeno y nitrógeno en un segundo intervalo de temperaturas; una parte de suministro de amoniaco que suministra amoniaco; y un conducto de suministro de amoniaco que suministra amoniaco de dicha parte de suministro de amoniaco a la primera y segunda partes de conversión de amoniaco; en el que el primer intervalo de temperaturas incluye temperaturas menores que las del segundo intervalo de temperaturas, y se genera hidrógeno a partir de amoniaco usando selectivamente la primera y segunda partes de conversión de amoniaco.

Description

Generador de hidrógeno, motor de combustión interna que quema amoniaco, y célula de combustible.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un generador de hidrógeno que genera hidrógeno a partir de amoniaco, y a un motor de combustión interna que quema amoniaco y a una célula de combustible que tiene el generador de hidrógeno.
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Técnica antecedente
Recientemente, debido a cuestiones medioambientales, tales como el calentamiento global que surge por las emisiones de dióxido de carbono, y a los problemas energéticos por el agotamiento de los recursos petrolíferos, se han realizado estudios que se centran en el amoniaco como fuente alternativa de energía limpia, como sustituto de los combustibles hidrocarbonados y, por ejemplo, se propone obtener potencia de motor sometiendo a combustión el gas amoniaco en un motor de combustión interna. En este sentido, la Publicación de Patente Japonesa Pendiente de Examen (Kokai) Nº 5-332152 describe que el hidrógeno, además del amoniaco, se someten a combustión en un motor de combustión interna para mejorar el rendimiento de la combustión del amoniaco. Adicionalmente, la Publicación de Patente Japonesa Pendiente de Examen (Kokai) Nº 5-332152 propone un motor de combustión interna que quema amoniaco, que tiene un medio de reacción de descomposición de amoniaco que descompone el amoniaco mediante el uso del calor del gas de escape después de la combustión del amoniaco en el motor de combustión interna, y una aleación de almacenamiento de hidrógeno que acumula el gas hidrógeno obtenido por el medio de reacción de descomposición de amoniaco.
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Descripción de la invención Problema a resolver por la invención
La presente invención proporciona un generador de hidrógeno que puede hacerse funcionar en un amplio intervalo de temperaturas, y un motor de combustión interna que quema amoniaco y una célula de combustible que tiene el generador de hidrógeno.
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Medios para resolver el problema
(1) Un generador de hidrógeno que comprende;
una primera parte de conversión de amoniaco que tiene un material de generación de hidrógeno, que reacciona con amoniaco en un primer intervalo de temperaturas, para generar hidrógeno;
una segunda parte de conversión de amoniaco que tiene un catalizador de descomposición de amoniaco, que descompone el amoniaco en hidrógeno y nitrógeno en un segundo intervalo de temperaturas;
una parte de suministro de amoniaco que suministra amoniaco; y
un conducto de suministro de amoniaco que suministra amoniaco desde la parte de suministro de amoniaco hasta la primera y segunda partes de conversión de amoniaco;
en el que
el primer intervalo de temperaturas incluye temperaturas menores que las del segundo intervalo de temperaturas, y el hidrógeno se genera a partir de amoniaco usando selectivamente las primera y segunda partes de conversión de amoniaco.
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(2) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en (1), en el que
el material de generación de hidrógeno es un material que genera hidrógeno por reacción con amoniaco sin calentamiento a temperatura ambiente, y el catalizador de descomposición de amoniaco comprende un metal que puede descomponer el amoniaco en hidrógeno y nitrógeno, sólo cuando se calienta desde la temperatura ambiente.
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(3) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en (1) o (2), que comprende un conducto de hidrógeno para el reciclado, que suministra el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco.
(4) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en uno cualquiera de (1) a (3), que comprende una fuente de calor que proporciona calor a la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco.
(5) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en (4), en el que
la fuente de calor es el calor de combustión/oxidación que se produce a partir de la combustión/oxidación del hidrógeno generado en la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco.
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(6) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en uno cualquiera de (1) a (5), que suministra todo el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco.
(7) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en uno cualquiera de (1) a (6), que suministra el amoniaco suministrado por la parte de suministro de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco sólo a través de la segunda parte de conversión de amoniaco.
(8) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en uno cualquiera de (1) a (7), en el que el material de generación de hidrógeno es un material que reacciona con amoniaco para generar hidrógeno en el intervalo de temperaturas que comprende, al menos, de 0ºC a 30ºC.
(9) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en uno cualquiera de (1) a (8), en el que el material de generación de hidrógeno es un material seleccionado entre el grupo que consiste en metales alcalinos, metales alcalinotérreos, hidruros de metales alcalinos, hidruros de metales alcalinotérreos y una combinación de los mismos.
(10) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en (9), en el que el material de generación de hidrógeno es un material seleccionado entre el grupo que consiste en hidruros de metales alcalinos, hidruros de metales alcalinotérreos y una combinación de los mismos.
(11) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en (10), en el que el material de generación de hidrógeno es un material seleccionado entre el grupo que consiste en hidruro de litio, hidruro sódico, hidruro potásico y una combinación de los mismos.
(12) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en uno cualquiera de (1) a (11), en el que el catalizador de descomposición de amoniaco comprende un metal seleccionado entre el grupo de metales de transición.
(13) El generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en (12), en el que el catalizador de descomposición de amoniaco comprende un metal seleccionado entre el grupo de rutenio, níquel, cobalto y hierro.
(14) Un motor de combustión interna que quema amoniaco, que tiene el generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en uno cualquiera de (1) a (13) y una unidad principal del motor de combustión interna, en el que la unidad principal del motor de combustión interna genera potencia de motor sometiendo a combustión, además del amoniaco, el hidrógeno que se suministra mediante el generador de hidrógeno.
(15) El motor de combustión interna que quema amoniaco como se ha descrito anteriormente en (14), que tiene además un conducto de gases de escape para intercambio de calor, que proporciona calor a la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco mediante el gas de escape de la unidad principal del motor de combustión interna.
(16) El motor de combustión interna que quema amoniaco como se ha descrito anteriormente en (15), en el que el conducto de gases de escape para el intercambio de calor tiene un conducto de desviación, a través del cual se desvía el gas de escape de la primera parte de conversión de amoniaco.
(17) El motor de combustión interna que quema amoniaco como se ha descrito anteriormente en uno cualquiera de (14) a (16), en el que la proporción molar de amoniaco e hidrógeno que se someten a combustión en la unidad principal del motor de combustión interna (amoniaco: hidrógeno) está en el intervalo de 100:0 a 50:50.
(18) Una célula de combustible que tiene el generador de hidrógeno como se ha descrito anteriormente en uno cualquiera de (1) a (13) y una unidad principal de célula de combustible, en el que la unidad principal de la célula de combustible genera potencia eléctrica oxidando el hidrógeno suministrado por el generador de hidrógeno.
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Ventaja técnica de la invención
De acuerdo con el generador de hidrógeno anterior, se puede obtener hidrógeno a partir de amoniaco en un intervalo de temperaturas relativamente amplio. Aunque el hidrógeno es eficaz como combustible para una célula de combustible y como aditivo de combustión para un motor de combustión interna que quema amoniaco, el medio de reacción de descomposición de amoniaco de la Publicación de Patente Japonesa Pendiente de Examen (Kokai) Nº 5-332152 mencionada anteriormente requiere calor con una temperatura relativamente elevada y, por tanto, requiere una unidad de reserva de hidrógeno de gran escala para el almacenamiento de hidrógeno para suministrar hidrógeno en el caso de baja temperatura. Por otro lado, el generador de hidrógeno anterior puede obtener hidrógeno a partir de amoniaco en un intervalo de temperaturas relativamente amplio y, por lo tanto, resuelve los problemas de almacenamiento de hidrógeno.
El amoniaco se produce actualmente a nivel mundial, y se usa principalmente en una gran cantidad para fertilizantes. El amoniaco se usa comercialmente de esta forma en una gran cantidad y, por lo tanto, se supone que el amoniaco está aceptado socialmente.
Las propiedades físicas del amoniaco son parecidas a aquellas del gas licuado del petróleo (GLP). El amoniaco se licua fácilmente a una presión de aproximadamente 810,6 kPa (8 atm) a temperatura ambiente, y normalmente se almacena y transporta sin ningún problema particular. Además, el amoniaco se define como un material no inflamable, difícil de encender. Además, incluso si se enciende el amoniaco, la velocidad de quemado es baja, y la región inflamable es estrecha, por tanto es seguro manipularlo.
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Breve descripción de la invención
La Fig. 1 muestra un ejemplo de funcionamiento de un generador de hidrógeno.
La Fig. 2 muestra otro ejemplo de funcionamiento de un generador de hidrógeno.
La Fig. 3 muestra un ejemplo de un motor de combustión interna que quema amoniaco.
La Fig. 4 muestra otro ejemplo de un motor de combustión interna que quema amoniaco.
La Fig. 5 muestra otro ejemplo de un motor de combustión interna que quema amoniaco.
La Fig. 6 muestra otro ejemplo de un motor de combustión interna que quema amoniaco.
La Fig. 7 muestra un ejemplo de una célula de combustible.
La Fig. 8 muestra una propiedad de generación de hidrógeno del hidruro de litio.
La Fig. 9 muestra una propiedad de generación de hidrógeno del hidruro sódico.
La Fig. 10 muestra una propiedad de generación de hidrógeno del hidruro potásico.
La Fig. 11 muestra una propiedad de regeneración de hidruro de litio.
La Fig. 12 muestra una propiedad de regeneración de hidruro sódico.
La Fig. 13 muestra una propiedad de regeneración de hidruro potásico.
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Mejor forma para llevar a cabo la invención Generador de hidrógeno
El generador de hidrógeno descrito en la presente memoria comprende:
una primera parte de conversión de amoniaco que tiene un material de generación de hidrógeno que reacciona con amoniaco en un primer intervalo de temperaturas para generar hidrógeno;
una segunda parte de conversión de amoniaco que tiene un catalizador de descomposición de amoniaco que descompone el amoniaco en hidrógeno y nitrógeno en un segundo intervalo de temperaturas;
una parte de suministro de amoniaco que suministra amoniaco; y
un conducto de suministro de amoniaco que suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco a la primera y segunda partes de conversión de amoniaco.
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En este generador de hidrógeno, el primer intervalo de temperaturas incluye temperaturas menores que las del segundo intervalo de temperaturas. En otras palabras, este generador de hidrógeno puede generar hidrógeno en la primera parte de conversión de amoniaco a una temperatura menor que la temperatura para generar hidrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco.
Además, este generador de hidrógeno genera hidrógeno a partir de amoniaco usando selectivamente la primera y segunda partes de conversión de amoniaco. Esta conmutación entre las partes de conversión de amoniaco puede llevarse a cabo, dependiendo del primer intervalo de temperaturas en el que se puede generar hidrógeno suministrando amoniaco al material de generación de hidrógeno, y del segundo intervalo de temperaturas en el que se puede descomponer amoniaco en hidrógeno y nitrógeno suministrando amoniaco a un catalizador de descomposición de amoniaco.
En otras palabras, cuando la primera parte de conversión de amoniaco tiene una temperatura en el primer intervalo de temperaturas, puede generarse hidrógeno a partir de amoniaco en la primera parte de conversión de amoniaco, y cuando la segunda parte de conversión de amoniaco tiene una temperatura en el segundo intervalo de temperaturas, puede generarse hidrógeno a partir de amoniaco en la segunda parte de conversión de amoniaco. Opcionalmente, la generación de hidrógeno en la primera parte de conversión de amoniaco y la generación de hidrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco pueden llevarse a cabo al mismo tiempo.
El funcionamiento del generador de hidrógeno puede ser, por ejemplo, como se muestra en las Figs. 1 (a) a (c). El generador de hidrógeno mostrado en la Fig. 1 tiene una primera parte de conversión de amoniaco 10, una segunda parte de conversión de amoniaco 20, una parte de suministro de amoniaco 30 y un conducto de suministro de amoniaco que suministra amoniaco desde la parte de suministro de amoniaco 30 hasta la primera y segunda partes de conversión de amoniaco 10 y 20.
Durante el uso de este generador de hidrógeno 100, se suministra amoniaco (NH_{3}) de la parte de suministro de amoniaco 30 a la primera parte de conversión de amoniaco 10 para generar hidrógeno (H_{2}) en la primera parte de conversión de amoniaco 10, como se muestra en la Fig. 1 (a), y se suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a la segunda parte de conversión de amoniaco 20 para generar hidrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco 20, como se muestra en la Fig.1 (b). Además, opcionalmente, se suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a la primera y segunda partes de conversión de amoniaco 10 y 20 para generar hidrógeno,
tanto en la primera como en la segunda partes de conversión de amoniaco 10 y 20, como se muestra en la Fig. 1 (c).
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Generador de hidrógeno - Regeneración del material de generación de hidrógeno en la primera parte de conversión de amoniaco
En un aspecto del generador de hidrógeno, el generador de hidrógeno comprende un conducto de hidrógeno para el reciclado, que suministra el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco. De acuerdo con este conducto de hidrógeno para el reciclado, el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco se suministra a la primera parte de conversión de amoniaco para regenerar el material de generación de hidrógeno después de la reacción de generación de hidrógeno. En otras palabras, en este aspecto, cuando puede generarse hidrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco que requiere un intervalo de temperaturas relativamente elevadas, se regenera el material de generación de hidrógeno en la primera parte de conversión de amoniaco y, así, se prepara para una situación en la que no puede generarse hidrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco, una situación en la que tiene que generarse hidrógeno en la primera parte de conversión de amoniaco así como en la segunda parte de conversión de amoniaco y otras situaciones similares.
Específicamente, en el caso en el que se genere una cantidad en exceso de hidrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco, por ejemplo, en el caso de que se suministre hidrógeno a la unidad principal del motor de combustión interna mediante el generador de hidrógeno para generar potencia de motor, y la unidad principal del motor de combustión interna funcione al ralentí, esta regeneración se puede llevar a cabo.
El generador de hidrógeno puede comprender una fuente de calor que proporcione calor a la primera parte de conversión de amoniaco. De acuerdo con esto, además del hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco, puede proporcionarse calor de la fuente de calor a la primera parte de conversión de amoniaco. En el caso de que la reacción para generar hidrógeno a partir del material de generación de hidrógeno y amoniaco sea una reacción exotérmica, la reacción para regenerar el material de generación de hidrógeno después de la reacción es una reacción endotérmica y, por lo tanto, la regeneración del material de generación de hidrógeno puede mejorarse proporcionando calor.
Adicionalmente, el suministro de calor a la primera parte de conversión de amoniaco se prefiere en ocasiones para aumentar la velocidad de reacción de la reacción entre el amoniaco y el material de generación de hidrógeno, que genera hidrógeno. En otras palabras, cuando la reacción para generar hidrógeno a partir de amoniaco y del material de generación de hidrógeno es una reacción exotérmica, el equilibrio de reacción se desplaza hacia la generación de hidrógeno, proporcionando calor a la primera parte de conversión de amoniaco. Sin embargo, en tanto que el equilibrio después de proporcionar el calor es para la generación de hidrógeno, se prefiere en ocasiones proporcionar calor a la primera parte de conversión de amoniaco, y proporcionar así la energía de activación para mejorar la reacción.
Como esta fuente de calor, puede usarse cualquier fuente de calor. Por ejemplo, puede usarse una unidad de calentamiento, tal como un calentador y un material de almacenamiento térmico. Además, como esta fuente de calor, es posible usar el calor de combustión/oxidación que se produce a partir de la combustión/oxidación del hidrógeno generado en la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco.
El funcionamiento del generador de hidrógeno en este aspecto puede ser, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 2 (a). Durante el uso de este generador de hidrógeno 200, como se muestra en la Fig. 2 (a), se suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a la segunda parte de conversión de amoniaco 20 para generar hidrógeno, y al menos parte del hidrógeno obtenido de esta manera se suministra de la segunda parte de conversión de amoniaco 20 a la primera parte de conversión de amoniaco 10 a través del conducto de hidrógeno para el reciclado, y regenerar así el material de generación de hidrógeno en la parte de conversión de amoniaco 10. Además, opcionalmente, como se muestra en la Fig. 2 (a), la regeneración del material de generación de hidrógeno se mejora, proporcionando calor a la parte de conversión de amoniaco 10.
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Generador de hidrógeno - Suministro de calor a la segunda parte de conversión de amoniaco
En un aspecto del generador de hidrógeno, el generador de hidrógeno puede comprender una fuente de calor que proporcione calor a la segunda parte de conversión amoniaco. La reacción de descomposición para descomponer amoniaco en hidrógeno y nitrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco requiere una temperatura relativamente elevada. Además, puesto que esta reacción de descomposición es una reacción endotérmica, tiene que proporcionarse energía calorífica. Por tanto, en ocasiones se proporciona preferiblemente calor a la segunda parte de conversión de amoniaco para mejorar la reacción de descomposición para descomponer amoniaco en hidrógeno y nitrógeno.
Como esta fuente de calor, puede usarse cualquier fuente de calor.
Por ejemplo, puede usarse una unidad de calentamiento, tal como, un calentador y un material de almacenamiento térmico. Además, como esta fuente de calor, es posible usar el calor de combustión/oxidación que se produce a partir de la combustión/oxidación del hidrógeno generado en la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco.
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Generador de hidrógeno - Otros aspectos
En un aspecto del generador de hidrógeno, todo el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco se suministra a la primera parte de conversión de amoniaco.
Este generador de hidrógeno en ocasiones se simplifica, debido a que puede omitirse el conducto para retirar directamente hidrógeno de la segunda parte de conversión de amoniaco, y por tanto, puede simplificarse el funcionamiento del generador de hidrógeno.
Este generador de hidrógeno es, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 2 (b). En el generador de hidrógeno 220 mostrado en la Fig. 2 (b), se suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a la segunda parte de conversión de amoniaco 20, y el hidrógeno obtenido en esta segunda parte de conversión de amoniaco 20 se retira a través de la primera parte de conversión de amoniaco 10.
Además, en un aspecto del generador de hidrógeno, se suministra el amoniaco mediante la parte de suministro de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco sólo a través de la segunda parte de conversión de amoniaco.
Este generador de hidrógeno en ocasiones se simplifica, debido a que puede omitirse el conducto para suministrar directamente amoniaco de la parte de suministro de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco, y por tanto, puede simplificarse el funcionamiento del generador de hidrógeno.
Este generador de hidrógeno es, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 2 (c). En el generador de hidrógeno 240 mostrado en la Fig. 2 (c), se suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a la segunda parte de conversión de amoniaco 20, y se suministra el amoniaco a través de esta segunda parte de conversión de amoniaco 20 a la primera parte de conversión de amoniaco 10, y así se genera hidrógeno en esta primera parte de conversión de amoniaco 10.
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Generador de hidrógeno - Material que genera hidrógeno
El material de generación de hidrógeno que puede usarse en el generador de hidrógeno puede ser cualquier material que reaccione con amoniaco para generar hidrógeno en el primer intervalo de temperaturas, que incluye temperaturas inferiores que las del segundo intervalo de temperaturas.
Este material de generación de hidrógeno es preferiblemente un material de generación de hidrógeno por reacción con amoniaco a temperatura ambiente sin calentamiento. Además, el material de generación de hidrógeno es preferiblemente un material que reacciona con amoniaco para generar hidrógeno en el intervalo de temperaturas que comprende, al menos, de 0ºC a 30ºC. El hecho de que el material de generación de hidrógeno reaccione con amoniaco para generar hidrógeno a temperatura ambiente se prefiere de esta forma, en ocasiones, para iniciar la generación de hidrógeno en la primera parte de generación de amoniaco sin calor o con poco calor proporcionado externamente.
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Como el material de generación de hidrógeno, puede considerarse un material que se sabe que se enciende o que emite un gas inflamable en contacto con el aire o el agua.
Como un material de generación de hidrógeno específico, puede ejemplificarse un material seleccionado entre el grupo que consiste en metales alcalinos, metales alcalinotérreos, hidruros de metales alcalinos, hidruros de metales alcalinotérreos y una combinación de los mismos. Por lo tanto, como la reacción de generación de hidrógeno entre el material de generación de hidrógeno y el amoniaco, se ejemplifican a continuación las reacciones mostradas por las Ecuaciones (1) a (4) (M^{I} significa un metal alcalino) (Li, Na, K, etc.), y M^{II} significa un metal alcalinotérreo (Mg, Ba, etc.)):
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1 
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Como un generador de hidrógeno particular, puede ejemplificarse específicamente un material seleccionado entre el grupo que consiste en hidruros de metales alcalinos, hidruros de metales alcalinotérreos y una combinación de los mismos; más específicamente un material seleccionado entre el grupo que consiste en hidruro de litio, hidruro sódico, hidruro potásico y una combinación de los mismos. Estos materiales son preferibles puesto que estos materiales pueden reaccionar con amoniaco para generar hidrógeno a temperatura ambiente. Adicionalmente, estos materiales son preferibles puesto que estos materiales pueden regenerarse reaccionando con hidrógeno a una temperatura relativamente baja, por ejemplo, de 200ºC a 300ºC.
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Generador de hidrógeno - Catalizador de descomposición de amoniaco
El catalizador de descomposición de amoniaco que puede usarse para el generador de hidrógeno puede ser cualquier material que mejore la reacción que descompone amoniaco en hidrógeno y nitrógeno.
Obsérvese que, en la reacción que descompone amoniaco para obtener hidrógeno y nitrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco, como se muestra en la ecuación (5) y en la Tabla 1 a continuación, el número molar del gas, en otras palabras, el volumen a la misma temperatura se duplica después de la reacción de descomposición, de manera que la velocidad de conversión de esta reacción puede determinarse usando un caudalímetro y un termómetro antes y después de la segunda parte de conversión de amoniaco:
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2
TABLA 1 Correlación entre la velocidad de descomposición de amoniaco y los caudales en la entrada y la salida de la parte de conversión
3 
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Este catalizador de descomposición de amoniaco es preferiblemente un catalizador que comprende un metal que puede descomponer amoniaco en hidrógeno y nitrógeno sólo cuando se calienta desde temperatura ambiente. Como un catalizador de descomposición de amoniaco particular, se ejemplifica un catalizador que comprende un metal seleccionado entre el grupo que consiste en metales de transición, específicamente, un catalizador que comprende un metal seleccionado entre el grupo que consiste en rutenio, níquel, cobalto y hierro. Estos metales posibilitan la reacción de descomposición de amoniaco a una temperatura relativamente baja. Por ejemplo, el rutenio puede mejorar la reacción de descomposición de amoniaco incluso a una temperatura de aproximadamente 300ºC.
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Motor de combustión interna que quema amoniaco
El motor de combustión interna que quema amoniaco mostrado en la presente memoria comprende el generador de hidrógeno anterior y la unidad principal del motor de combustión interna, y la unidad principal del motor de combustión interna quema el hidrógeno suministrado desde el generador de hidrógeno, además del amoniaco, para generar potencia de motor. Como la unidad principal del motor de combustión interna, puede ejemplificarse cualquier unidad principal del motor de combustión interna que pueda quemar amoniaco para generar potencia de motor como se muestra, por ejemplo, en la Publicación de Patente Japonesa Pendiente de Examen (Kokai) Nº 5-332152.
De acuerdo con este motor de combustión interna que quema amoniaco, se suministra hidrógeno en un amplio intervalo de temperaturas mediante el generador de hidrógeno anterior, y se facilita la quema de amoniaco por este hidrógeno, de manera que puede conseguirse la generación de potencia de motor preferible en el momento del arranque, aceleración, etc. Cuando el gas de escape de la unidad principal del motor de combustión interna se usa como la fuente de calor para la generación de hidrógeno, la temperatura del gas de escape es baja en el momento de arrancar la unidad principal del motor de combustión interna, y el calor no se puede proporcionar suficientemente a la segunda parte de conversión de amoniaco, de manera que no puede generarse hidrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco. Sin embargo, este motor de combustión interna que quema amoniaco puede suministrar apropiadamente hidrógeno a la unidad principal del motor de combustión interna mediante la primera parte de conversión de amoniaco que puede generar hidrógeno a una temperatura relativamente baja, incluso cuando la temperatura del gas de escape es baja, por ejemplo, cuando arranca, etc. La proporción molar (amoniaco:hidrógeno) entre el amoniaco y el hidrógeno que se queman en la unidad principal del motor de combustión interna puede estar, por ejemplo, en el intervalo de 100:0 a 50:50, específicamente de 100:0 a 80:20.
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Obsérvese que, al quemar el amoniaco, puede llevarse a cabo la reacción de combustión mostrada en la Ecuación (6) a continuación. La reacción no contribuye al calentamiento global, puesto que no genera dióxido de carbono:
4
Este motor de combustión interna que quema amoniaco es, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 3. El motor de combustión interna que quema amoniaco 300 mostrado en la Fig. 3 comprende un generador de hidrógeno 310 y la unidad principal del motor de combustión interna 40. Este generador de hidrógeno 310 comprende una primera parte de conversión de amoniaco 10, una segunda parte de conversión de amoniaco 20, una parte de suministro de amoniaco 30 y un conducto de suministro de amoniaco 31 que suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a la primera y segunda partes de conversión de amoniaco 10 y 20.
Durante el uso de este motor de combustión interna que quema amoniaco, se suministra amoniaco desde la parte de suministro de amoniaco 30 hasta la unidad principal del motor de combustión interna 40 a través del caudalímetro M_{1} y M_{2}. Junto con el mismo, ajustando las válvulas V_{1} y V_{2} según se necesite, se suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a ambas o a cualquiera de la primera y segunda partes de conversión de amoniaco 10 y 20 a través de los caudalímetros M_{3} y M_{5}, generando de esta manera hidrógeno. El hidrógeno obtenido se suministra a la unidad principal del motor de combustión interna 40 a través de los caudalímetros M_{4} y M_{6}.
Además, cuando el generador de hidrógeno 310 usado comprende un conducto de hidrógeno para el reciclado 21 que suministra el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco 20 a la primera parte de conversión de amoniaco 10, se suministra hidrógeno a la primera parte de conversión de amoniaco 10 a través del caudalímetro M_{7}, ajustando la cantidad de hidrógeno que fluye en el conducto de hidrógeno para el reciclado 21 con la válvula V_{3}, y regenerando de esta manera el material de generación de hidrógeno en la parte de conversión de amoniaco 10.
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Motor de combustión interna que quema amoniaco - Conducto de gas de escape para el intercambio de calor
El motor de combustión interna que quema amoniaco puede comprender, además, un conducto de gas de escape para el intercambio de calor, que proporciona calor a la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco mediante el gas de escape de la unidad principal del motor de combustión interna.
De acuerdo con este motor de combustión interna que quema amoniaco, el calor requerido en la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco se proporciona mediante el gas de escape de la unidad principal del motor de combustión interna. Con respecto al generador de hidrógeno, que se ha descrito anteriormente, en ocasiones se proporciona calor preferiblemente a la primera y segunda partes de conversión de amoniaco, para aumentar la velocidad de reacción de la reacción de generación de hidrógeno y/o mejorar la regeneración del material de generación de hidrógeno en la primera parte de conversión de amoniaco, para mejorar la descomposición de amoniaco en la segunda parte de conversión de amoniaco, etc.
Este conducto de gas de escape para el intercambio de calor puede comprender un conducto de desviación, a través del cual el gas de escape se desvía de la primera parte de conversión de amoniaco. Como se ha descrito anteriormente, la reacción del material de generación de hidrógeno y el amoniaco en la primera parte de conversión de amoniaco podría ser una reacción exotérmica. Por lo tanto, cuando no se pone en marcha la regeneración del material de generación de hidrógeno en la primera parte de conversión de amoniaco, puede hacerse avanzar el equilibrio de la reacción hacia la generación de hidrógeno, evitando el calentamiento del material de generación de hidrógeno con el gas de escape y manteniendo, de esta manera, el material de generación de hidrógeno a una temperatura relativamente baja.
Este motor de combustión interna que quema amoniaco es, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 4. El motor de combustión interna que quema amoniaco 400 mostrado en la Fig. 4 comprende un generador de hidrógeno 410 y una unidad principal del motor de combustión interna 40. Este motor de combustión interna que quema amoniaco 400 comprende además un conducto de gas de escape para intercambiar calor 41 que puede proporcionar calor a la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco 10 y 20, mediante el gas de escape de la unidad principal del motor de combustión interna 40, además de la constitución del motor de combustión interna que quema amoniaco 300 mostrada en la Fig. 3. Este conducto de gas de escape para el intercambio de calor 41 puede comprender un primer intercambiador de calor 15 que puede proporcionar calor a la primera parte de conversión de amoniaco 10, un segundo intercambiador de calor 25 que puede proporcionar calor a la segunda parte de conversión de amoniaco 20 y una tubería a través de la que fluye el gas de escape.
Cuando este conducto de gas de escape para el intercambio de calor tiene un conducto de desviación 42, a través del cual el gas de escape se desvía de la primera parte de conversión de amoniaco, puede evitarse el calentamiento del material que genera hidrógeno mediante el gas de escape ajustando, con la válvula V4, la cantidad del gas de escape que fluye a través de este conducto de desviación 42.
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Motor de combustión interna que quema amoniaco - Otros aspectos
En un aspecto del motor de combustión interna que quema amoniaco, el motor de combustión interna que quema amoniaco suministra todo el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco.
Este motor de combustión interna que quema amoniaco en ocasiones se simplifica, debido a que puede omitirse el conducto para suministrar directamente hidrógeno de la segunda parte de conversión de amoniaco a la unidad principal del motor de combustión interna, y por tanto, puede simplificarse el funcionamiento del motor de combustión interna que quema amoniaco.
Este motor de combustión interna que quema amoniaco es, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 5. El motor de combustión interna que quema amoniaco 500 mostrado en la Fig. 5 comprende un generador de hidrógeno 510 y una unidad principal motor de combustión interna 40. Este motor de combustión interna que quema amoniaco 500 difiere del motor de combustión interna que quema amoniaco 400 mostrado en la Fig. 4, sólo en que el primero no comprende un conducto, ni una válvula, etc. para suministrar directamente hidrógeno de la segunda parte de conversión de amoniaco 20 a la unidad principal del motor de combustión interna 40.
Además, en un aspecto del motor de combustión interna que quema amoniaco, el amoniaco suministrado por la parte de suministro de amoniaco se suministra a la primera parte de conversión de amoniaco sólo a través de la segunda parte de conversión de amoniaco.
Este motor de combustión interna que quema amoniaco en ocasiones se simplifica, debido a que puede omitirse el conducto para suministrar directamente amoniaco de la parte de suministro de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco puede, y por tanto, puede simplificarse el funcionamiento del motor de combustión interna que quema amoniaco.
Este motor de combustión interna que quema amoniaco es, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 6. El motor de combustión interna que quema amoniaco 600 mostrado en la Fig. 6 comprende un generador de hidrógeno 610 y una unidad principal del motor de combustión interna 40. Este motor de combustión interna que quema amoniaco 600 difiere del motor de combustión interna que quema amoniaco 400 mostrado en la Fig. 4, sólo en que el primero no comprende un conducto, ni una válvula, etc. para suministrar directamente hidrógeno de la segunda parte de conversión de amoniaco 20 a la unidad principal del motor de combustión interna 400, ni un conducto, una válvula, etc. para suministrar directamente amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a la primera parte de conversión de amoniaco 10. Adicionalmente, este motor de combustión interna que quema amoniaco 600 difiere del motor de combustión interna que quema amoniaco 500 mostrado en la Fig. 5, sólo en que el primero no comprende un conducto, ni una válvula, etc. para suministrar directamente amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a la primera parte de conversión de amoniaco 10.
Como se ha descrito anteriormente, de acuerdo con el motor de combustión interna que quema amoniaco en el que se usa el gas de escape de la unidad principal del motor de combustión interna como la fuente de calor para la generación de hidrógeno, cuando la temperatura del gas de escape es baja, como en el caso del arranque de la unidad principal del motor de combustión interna, se genera hidrógeno en la primera parte de conversión que genera hidrógeno a una temperatura relativamente baja, específicamente mediante una reacción exotérmica, y cuando la temperatura del gas de escape se eleva, el calor de este gas de escape se proporciona a la segunda parte de conversión de amoniaco, de manera que se genera hidrógeno en la segunda parte de conversión de amoniaco, lo que genera hidrógeno a una temperatura relativamente elevada mediante una reacción endotérmica. Generando hidrógeno de esta forma, puede generarse hidrógeno a lo largo de casi todo el intervalo de operación del motor de combustión interna. Además, después de que se eleva la temperatura del gas de escape, el material de generación de hidrógeno, que se requiere cuando la temperatura del gas de escape es baja, como en el caso del momento de arranque próximo, puede generarse en la primera parte de conversión de amoniaco, proporcionando el calor del gas de escape a la primera parte de conversión de amoniaco.
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Célula de combustible
La célula de combustible descrita en la presente memoria comprende un generador de hidrógeno y una unidad principal de la célula de combustible descrita anteriormente, y genera potencia eléctrica oxidando el hidrógeno suministrado por el generador de hidrógeno. Como la unidad principal de la célula de combustible, puede ejemplificarse cualquier unidad principal de la célula de combustible que use hidrógeno como el combustible, y la célula de combustible ya se conoce en la técnica.
De acuerdo con esta célula de combustible, puede proporcionarse hidrógeno en un amplio intervalo de temperaturas, y por lo tanto, puede generarse potencia eléctrica en un amplio intervalo de temperaturas.
Esta célula de combustible es, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 7. La célula de combustible 700 mostrada en la Fig. 7 comprende un generador de hidrógeno 710 y una unidad principal de la célula de combustible 50. Este generador de hidrógeno 710 comprende una primera parte de conversión de amoniaco 10, una segunda parte de conversión de amoniaco 20, una parte de suministro de amoniaco 30 y un conducto de suministro de amoniaco 31 que suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a la primera y segunda partes de conversión de amoniaco 10 y 20.
Durante el uso de esta célula de combustible 700, se suministra amoniaco de la parte de suministro de amoniaco 30 a ambas o a una cualquiera de la primera y segunda partes de conversión de amoniaco 10 y 20 a través de los caudalímetros M_{3} y M_{5}, ajustando las válvulas V_{1} y V_{2}, y generando así hidrógeno. El hidrógeno obtenido se suministra a la unidad principal de la célula de combustible 50.
Adicionalmente, cuando este generador de hidrógeno 710 comprende un conducto de hidrógeno para el reciclado 21 que suministra el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco 20 a la primera parte de conversión de amoniaco 10, puede suministrarse hidrógeno a la primera parte de conversión de amoniaco 10, y así regenerar el material de generación de hidrógeno en la parte de conversión de amoniaco 10, ajustando la cantidad de hidrógeno que fluye en este conducto de hidrógeno para el reciclado 21 con la válvula V_{3}.
Obsérvese, para mayor simplificación, en las Figs. 1 a 7 sólo se muestran las realizaciones en las que la tasa de conversión de amoniaco a hidrógeno en la primera y segunda partes de conversión de amoniaco es 0% o 100%. Sin embargo, la presente invención no se limita a éstas, y la tasa de conversión en la primera y segunda partes de conversión de amoniaco puede ser cualquier valor.
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Ejemplos Material de generación de hidrógeno
La propiedad de generación de hidrógeno y la propiedad de regeneración de los materiales de generación de hidrógeno se evaluaron como se muestra a continuación.
Como un material de generación de hidrógeno, se evaluó hidruro de litio (LiH), hidruro sódico (NaH) e hidruro potásico (KH). Éstos generaron hidrógeno y se regeneraron, respectivamente, mediante las reacciones que se muestran a continuación:
5
La generación de hidrógeno por un material de generación de hidrógeno (la reacción que avanza desde la parte izquierda hasta la parte derecha de la ecuación anterior) se evaluó mediante la cantidad de hidrógeno producido en un minuto, cuando se proporcionó amoniaco a 1 g del material de generación de hidrógeno en el intervalo de temperaturas de -30ºC a 150ºC. Los resultados del hidruro de litio, hidruro sódico e hidruro potásico se muestran en las Figs. 8, 9 y 10, respectivamente. A partir de estos resultados, se entendió que, incluso a una temperatura de -30ºC, la reacción de generación de hidrógeno avanzó y, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de la reacción.
Además, la regeneración del material de generación de hidrógeno después de la generación de hidrógeno (la reacción que avanza desde de la parte derecha a la parte izquierda de la ecuación anterior) se evaluó como el cambio de la tasa de regeneración con el tiempo, a las temperaturas de 300ºC, 200ºC y 250ºC para hidruro de litio, hidruro sódico e hidruro potásico, respectivamente. Los resultados de hidruro de litio, hidruro sódico e hidruro potásico se muestran en las Figs. 11, 12 y 13, respectivamente. A partir de estos resultados, se entendió que los materiales de generación de hidrógeno se regeneraron a una velocidad significativa a las temperaturas de 200ºC a 300ºC.
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Catalizador de descomposición de amoniaco
La propiedad de descomposición de amoniaco mediante catalizadores de descomposición de amoniaco, que pueden usarse en el generador de hidrógeno, se evaluó como se muestra a continuación.
Como un catalizador de descomposición de amoniaco, se evaluó níquel soportado en alúmina (Ni/Al_{2}O_{3}), cobalto-lantano soportado en sílice (Co-La/SiO_{2}), rutenio soportado en alúmina (Ru/Al_{2}O_{3}) y rutenio-bario soportado en carbón vegetal activado (Ru-Ba/carbón vegetal activado) suministrando amoniaco a las temperaturas de 400ºC a 600ºC. Los resultados se muestran en la Tabla 2.
TABLA 2 Propiedades de descomposición de amoniaco de catalizadores de descomposición de amoniaco
6 
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A partir de la Tabla 2, se entiende que, aunque que estos catalizadores de descomposición de amoniaco requieren temperaturas superiores a 300ºC para la reacción de descomposición de amoniaco, puede descomponerse casi todo el amoniaco en hidrógeno y nitrógeno cuando está disponible la temperatura requerida.

Claims (18)

1. Un generador de hidrógeno que comprende:
una primera parte de conversión de amoniaco que tiene un material de generación de hidrógeno que reacciona con amoniaco en un primer intervalo de temperaturas para generar hidrógeno;
una segunda parte de conversión de amoniaco que tiene un catalizador de descomposición de amoniaco que descompone amoniaco en hidrógeno y nitrógeno en un segundo intervalo de temperaturas;
una parte de suministro de amoniaco que suministra amoniaco; y
un conducto de suministro de amoniaco que suministra amoniaco de dicha parte de suministro de amoniaco a la primera y segunda partes de conversión de amoniaco;
en el que
el primer intervalo de temperaturas incluye temperaturas menores que las del segundo intervalo de temperaturas, y se genera hidrógeno a partir de amoniaco usando selectivamente la primera y segunda partes de conversión de amoniaco.
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2. El generador de hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1, en el que
dicho material de generación de hidrógeno es un material que genera hidrógeno por reacción con amoniaco, sin calentamiento, a temperatura ambiente, y el catalizador de descomposición de amoniaco comprende un metal que puede descomponer amoniaco en hidrógeno y nitrógeno sólo cuando se calienta desde temperatura ambiente.
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3. El generador de hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, que comprende un conducto de hidrógeno para el reciclado que suministra el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco.
4. El generador de hidrógeno de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende una fuente de calor que proporciona calor a la primera y/o segundas partes de conversión de amoniaco.
5. El generador de hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 4, en el que
dicha fuente de calor es el calor de combustión/oxidación que se produce a partir de la combustión/oxidación del hidrógeno generado en la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco.
\vskip1.000000\baselineskip
6. El generador de hidrógeno de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que suministra todo el hidrógeno obtenido en la segunda parte de conversión de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco.
7. El generador de hidrógeno de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que suministra el amoniaco suministrado por dicha parte de suministro de amoniaco a la primera parte de conversión de amoniaco sólo a través de la segunda parte de conversión de amoniaco.
8. El generador de hidrógeno de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicho material de generación de hidrógeno es un material que reacciona con amoniaco para generar hidrógeno en el intervalo de temperaturas que comprende, al menos, de 0ºC a 30ºC.
9. El generador de hidrógeno de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicho material de generación de hidrógeno es un material seleccionado entre el grupo que consiste en metales alcalinos, metales alcalinotérreos, hidruros de metales alcalinos, hidruros de metales alcalinotérreos y una combinación de los mismos.
10. El generador de hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicho material de generación de hidrógeno es un material seleccionado entre el grupo que consiste en hidruros de metales alcalinos, hidruros de metales alcalinotérreos y una combinación de los mismos.
11. El generador de hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dicho material de generación de hidrógeno es un material seleccionado entre el grupo que consiste en hidruro de litio, hidruro sódico, hidruro potásico y una combinación de los mismos.
12. El generador de hidrógeno de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que dicho catalizador de descomposición de amoniaco comprende un metal seleccionado entre el grupo de metales de transición.
13. El generador de hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 12, en el que dicho catalizador de descomposición de amoniaco comprende un metal seleccionado entre el grupo que consiste en rutenio, níquel, cobalto y hierro.
14. Un motor de combustión interna que quema amoniaco, que tiene dicho generador de hidrógeno de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, y una unidad principal del motor de combustión interna, en el que dicha unidad principal del motor de combustión interna genera potencia de motor, sometiendo a combustión, además del amoniaco, el hidrógeno que se suministra mediante dicho generador de hidrógeno.
15. El motor de combustión interna que quema amoniaco de acuerdo con la reivindicación 14, que tiene además un conducto de gas de escape para el intercambio de calor, que proporciona calor a la primera y/o segunda partes de conversión de amoniaco mediante el gas de escape de dicha unidad principal del motor de combustión interna.
16. El motor de combustión interna que quema amoniaco de acuerdo con la reivindicación 15, en el que dicho conducto de gas de escape para el intercambio de calor tiene un conducto de desviación, a través del cual dicho gas de escape se desvía de la primera parte de conversión de amoniaco.
17. El motor de combustión interna que quema amoniaco de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, en el que la proporción molar de amoniaco e hidrógeno que se someten a combustión en dicha unidad principal del motor de combustión interna, amoniaco:hidrógeno, está en el intervalo de 100:0 a 50:50.
18. Una célula de combustible que tiene dicho generador de hidrógeno de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, y una unidad principal de la célula de combustible, en la que dicha unidad principal de la célula de combustible genera potencia eléctrica oxidando el hidrógeno suministrado por dicho generador de hidrógeno.
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