专利名称：氢释放系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氢释放系统并且更具体地涉及一种包括两个或更多个储氢容器的氢释放系统，其中在这些容器中氢被储存在一种储氢材料中。
背景技术：
利用金属氢化物比如催化的MgH2的储氢单元要求温度高于摄氏280度，以进行正压解吸。来自一个加热的、良好隔热的、具有通用的G型压缩气瓶的尺寸的、固态储存气瓶的热量损失可以是近似500瓦特。因此，来自一个加热的16气瓶的歧管式固态套组的热量损失可以是近似8千瓦。这个8千瓦是使MH-氢键断裂并且完成吸附所需的能量之外的。因此，这样一个系统的所得热效率是极低的，从而导致了增加的用电量以及差的碳足迹。由于每个储存容器要求显著的热量输入以便解吸出氢，有利的是在一个时间加热 一个容器以便(I)减小在启动阶段的总加热要求、或者(2)当可获得固定量的加热功能时使得氢的解吸能够以更快的速率发生。因此，本申请人追求的是歧管式储存系统的概念，该系统包括多个储氢容器，其中每次仅有一个气瓶进行解吸。不同压缩气体储存单元，一种包含储氢材料的固态储氢单元在恒压下放空。在一个压缩气体单元中，排放的深度可以从该气瓶内剩余的气体压力精确地推算出来。与此相反，一个固态储氢单元将在操作温度所决定的恒定的平衡压下从满载排放到高于90%的空载。一旦储存的气体体积太低而不能供应所需量的流量，则该储氢容器中的压力将迅速从平衡点降低到零。一旦排放深度超过90%，这是非常典型的。通常，当氢一次只从单一容器中解吸时，一旦储氢容器中的平衡压开始降低，则开始加热该序列中的下一个气瓶就太晚了，因为将该容器带到解吸压力和温度的时间远超过了当前接近空的容器的剩余供应能力。为了提供恒定的氢供应以满足氢需求，希望的是序列中的下一个储氢容器在恒定的平衡压开始下降前就开始充分加热。此外，一旦主动解吸气瓶为空，则希望的是将该气瓶降温以最小化热量损失。但是，由于该氢化/脱氢反应是一个可逆反应，所以一旦该储氢材料的温度下降，该反应就将逆转并且该储氢材料将吸收氢。图I示出了一个给定压力下随温度而变的MgH2吸收速率。例如，吸收速率曲线表明，在高于平衡温度的温度下反应处于解吸方向上。对于低于平衡点的温度，反应处于吸收方向上。因此，如果这些气瓶被并联连接到一个供应歧管上并且序列中的下一个气瓶正在通过加热到高于平衡温度而供应氢，则前一个气瓶在冷却至低于平衡点时将吸收所有这些氢，留下为零的净氢供应以满足氢的需求。希望的是本发明提供一个解决了上述一个或多个问题的储氢系统或供应安排。在本说明书中对现有技术的提及不是、并且不应该被当做是一种认可或任何形式的建议这个现有技术形成了澳大利亚或其他任何管辖区内的公知常识的一部分，或者这个现有技术可以合理地预计成是本领域技术人员将确定的、理解的以及认为相关的
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于从一个或多个储氢容器中排出氢的系统，该一个或多个储氢容器包含了固体储氢材料，该系统包括一条氢供应管线，用于连接到一个氢需求上；一个能量递送系统，用于对至少一个储氢容器中的储氢材料供应热量以从该固体储氢材料中解吸出氢；一个或多个供应连接导管，用于将该供应管线连接到一个或多个储氢容器上；其中连接到储氢容器上的每个供应连接导管具有一个回流防止装置，当该固体储存材料在该供应管线的压力下不再解吸出氢时，该回流防止装置防止或限制该供应管线中的氢回流进入该储氢容器中。优选地，根据本发明的所有方面，当该固体储存材料在该供应管线的压力下不再 解吸出氢时，该能量递送系统是去活的并且不再向该储氢容器供应热量。在本发明的优选形式中，该回流防止装置是一个单向阀或可以简单地是一个截止阀。提供该回流防止装置防止了在氢供应管线中的氢再次进入一个在其中相当大比例的氢已经从该储氢单元中被解吸的为空的储氢容器以及该去活的能量递送系统中、或者允许氢以预期的低泄漏速率泄漏回到该耗尽的储氢容器中。因此，当储氢材料的温度下降并且氢储存反应在吸收氢的方向上进行时，防止了在该氢供应管线内的氢从该氢供应管线再次进入或仅仅允许有限的量再次进入为空的储氢单元中。驱使氢被吸收进入冷却的储氢材料的动力学将吸收在为空的储氢单元中所有可得的氢并且在该储氢容器中创造一个部分真空。在一些情况下，可能希望的是形成真空。本发明可以提供填充该真空的手段，是通过提供除氢外的气体如氩气、空气或氮气，或者将待提供的氢气从一个辅助氢供应而提供至该冷却中的材料。当容器冷却时，可以供应这些除氢外的气体，或者可以有意地允许空气泄漏进入这些容器中。该辅助氢供应可以是当通向储氢容器的能量递送系统去活时可连接到对应的为空的储氢容器上、或者替代性的是从该供应的一个分支出口获取的并且返回到容器中的少量的所供应的氢。当提供了辅助氢供应时，一定量的氢被进料到为空的储氢单元中，以防止产生真空。当低于用于解吸出氢的操作压力的压力下，吸收氢的动力学显著地下降。优选的是该辅助氢供应向为空的储氢单兀供应氢，以便将储氢容器中的压力保持在大气压或略高于大气压，从而防止在该储氢单元中形成泄漏并且防止空气进入该单元。如上述提到的，该辅助氢供应可以是从该供应管线到至少该已经去活的储氢容器的一个辅助氢导管。该储氢导管优选地具有一个压力控制阀，用于在低于该供应管线中的压力的一个压力下、并且优选地大气压至到2巴下(或略高于大气压)对去活的储氢容器供应氢。在一个实施方案中，该压力控制阀为一个递减阀。替代性地，该辅助氢供应可以为一个二级储氢气瓶，如一个在大气压与两个大气压之间的压力下供应气体的氢气瓶，以便将该去活的储氢单元中的压力保持在相对大气压为正的一个压力下。为了进一步限制再次吸收进入该冷却中的为空的储氢气瓶中的氢的量，可以通过该气瓶的被动或主动冷却之一或二者而改进该为空的气瓶的冷却，以此增大该储氢材料的冷却速率。被动冷却可以采取移除可能覆盖在该气瓶外部的任何外部隔热物的形式，而主动冷却可以涉及在该空气瓶的外表面上方使用一个鼓风机或使用一个水冷夹套。本发明的另一个方面提供了一种用于将氢供应递送至氢供应管线的系统，该系统包括一个或多个包含固体储氢材料的储氢容器，至少一个能量递送系统，用于向至少一个储氢容器中的固体储氢材料供应热量，该热量是足够从该固体储氢材料中解吸出氢；以及一个控制系统，用于基于该氢供应管线中的氢需求而控制该能量递送系统的启动时间，该控制系统被配置成预料当需要从该储氢容器将氢供应到该氢供应管线以满足氢需求时的时间、并且在该预料时间之前一段时间启动该储氢容器中的能量递送系统以允许在该储氢容器中的材料加热到以下温度在该温度下氢可以在该氢供应管线的供应压力下被供应以便满足该供应管线中的氢需求。 以上发明可以应用于具有能量递送系统和控制系统的单一储氢容器。该控制系统将监控该需求并响应于变量而启动该能量递送系统，该变量表明了要求来自储氢容器的氢来满足该预期的氢需求。但是，在一种优选的形式中，上述系统包括两个或更多个包含储氢材料的储氢容器，该控制系统被配置成预料或确定当来自第一储氢容器的氢供应下降到低于预设水平时的时间、并且在该预料的或确定的时间之前一个预定时间启动第二储氢容器中的能量递送系统，以便允许该第二储氢容器中的材料加热到以下温度，在该温度下氢能以该氢供应管线的供应压力被供应从而满足该供应管线中的氢需求。在本发明的优选形式中，该控制系统包括一个传感器，该传感器监控了至该供应管线的氢供应的变量；以及一个处理器，当该处理器由来自该传感器的信号而确定了在当前连接到氢供应管线上的储氢容器中的氢供应已经下降到低于预设水平时，该处理器启动下一个顺次的氢供应容器中的能量递送系统。在本发明的另一个方面，提供了一种将氢从氢递送系统供应到氢供应管线的方法，其中该系统包括一个或多个包含固体储氢材料的储氢容器；至少一个能量递送系统，用于向至少一个储氢容器中的固态储氢材料供应热量，该热量是足以从该固态储氢材料中解吸出氢；以及一个控制系统，用于基于该氢供应管线中的氢需求而控制该能量递送系统的启动时间。该方法包括以下步骤预料或确定当需要从该储氢容器将氢供应到氢供应管线以满足氢需求时的时间，并且在该预料时间之前一段时间启动该储氢容器中的能量递送系统，以允许储氢容器中的材料加热到以下温度在该温度下氢能以氢供应管线的供应压力被供应从而满足该氢供应管线中的氢需求。如在此所使用的，除非在上下文另外要求的地方，术语“包括”(“comprise”)及其变形，例如“包括着”(“comprising”)、“包括有”(“comprises”)和“包括了”(“comprised”)，并不旨在排除其他添加物、组分、整体或步骤。
图I是一种金属氢化物材料的氢吸收的典型的反应速率对比温度的曲线图。一个给定压力下吸收与解吸之间的平衡点由X轴上的交点限定；
图2是基于数字质量流量计积分的歧管式金属氢化物气瓶依次解吸的流程图；图3是基于加热器功率积分的歧管式金属氢化物气瓶依次解吸的流程图；图4是一个方法和设备图，示出了被动气体阀的构型；图5是在I. I巴下气瓶冷却的温度轮廓的FEA模拟；并且图6是在I. I巴下气瓶冷却的浓度轮廓的FEA模拟。
具体实施例方式参考图4，示意性地示出了储氢容器1A、1B、1C的连接。这些储氢容器填充有一种 适合的储氢材料比如MgH2或其他形成氢化物的合金，该储氢材料在预设的温度和压力之上吸收氢并且当温度升高到高于解吸温度时解吸出氢。这些容器通过一个公共解吸气体歧管2并联连接到一个氢供应管线3上。供应管线3通常是在传送这些储氢容器的位置以满足该位置处的氢需求。一个氢导管4A、4B、4C分别可连接到储氢容器1A、1B、1C上，以接收从该容器中排出的氢气。一个包含储氢材料比如氢化镁的储氢容器当被加热到该吸收温度时在恒压下排出氢。氢被持续地排放直到它基本上为空，此时排放压力急剧下降。连接到氢解吸歧管上的氢排放导管4A、4B、4C优选地配备有回流防止装置5A、5B、5C，如单向阀，这些单向阀对应地防止在歧管内的氢气回到排放/用完/耗尽的储氢容器IAUBUC中。由于在接近储氢容器完全被耗尽这个点时，来自该储氢容器中的排放压力降低，因此对于向该氢供应管线连续供应氢而言非常重要的是下一个要供应氢的储氢容器被加热到所要求的解吸温度，直到在将要耗尽的储氢容器内的压力开始下降之时。 一个过程控制器7监控该正在排放的储氢容器中的解吸过程，并且在压力下降之前的适当时间开始加热下一个储氢容器，以确保连续的供应。这是通过在适当的时间启动加热元件6A、6B、6C来完成的。该控制器的操作将在下面更详细地描述。这些加热元件可以是电加热元件，位于这些储氢容器的内部或外部。为了加强这种加热效果，可以在加热和解吸操作过程中提供一个隔热的加热夹套。一旦储氢容器1A、1B、1C完全排放了氢，则将该储氢容器的加热元件的能量源失活并且允许该储氢材料冷却。当这些加热元件去活时，理想地可以移除任何隔热夹套。如图I所示，一旦该储氢材料冷却到平衡温度以下(在箭头T的方向)，则该吸收/吸收反应的动力学就偏向氢的吸收。因此该储氢材料可获得的所有氢都被潜在地吸收，从而在该储氢容器中创造了一个负压(即，低于大气压的压力，I巴绝对值)。如希果望防止储氢容器中的压力降低到大气压以下，则至少在冷却过程中一个辅助供应源与耗尽的储氢容器连通。该辅助供应源可以通过一个回流防止装置9A、9B、9C如单向阀而提供到供应导管8A、8B、8C。该辅助供应源可以是一个分开的氢供应11。如一个气瓶，通过一个阀12连接，或者它可以是；来自该吸收气体歧管的一个分支管线8。该分支管线8配备有一个压力控制阀以便将压力从该吸收歧管供应压力递减至稍高于大气压的压力，即，优选在I至2巴的范围内。当在该储氢材料的冷却阶段过程中该吸收/解吸反应处于吸收循环中时，反应动力学在该压力下非常慢，因此实际上只吸收了小体积的氢。可以接收的是允许在该储氢容器中形成真空并且因此无需提供辅助源。替代性地，该真空可以用其他气体比如单独提供的氩气、氮气或空气填充，或者可以有意允许空气泄露进入并填充该真空。为了进一步限制被再次吸收进入冷却中的为空的储氢气瓶中的氢的量，可以通过该气瓶的被动或主动冷却以改进为空的气瓶的冷却而提升该储氢材料的冷却速率，并且如图I中所示降低吸收到储氢材料上的氢的反应速率。被动冷却可以采取移除可能覆盖在气瓶外部的任何外部隔离物的形式，并且主动冷却可以涉及在为空的气瓶外表面上方使用鼓风机或使用水冷夹套。现在将对该过程控制器的操作进行描述。通过确保只有一个气瓶在进行主动解吸，每个压力气瓶的单独控制和依次解吸将热量损失最小化。一旦该活动气瓶放空，就将一个另外的气瓶在适当的时间预热以便无缝地接替氢的供应。这些剩余的气瓶被储存在室温下直到被需要。该系统的操作能够被简化如下
I.气瓶A解吸2.气瓶A达到排放深度的80%并且启动气瓶B的预热(花费15分钟)3. 一旦气瓶B达到温度就开始自动解吸。在这个阶段气瓶A仍然不是100%空的。气瓶A继续与气瓶B并列地缓慢解吸。4.气瓶B达到排放深度的20%并且启动气瓶A的冷却。因此，在任何时间点，热气瓶的数量按下式给出。
n = f_Cl馨2P 2>| m(pOD(€ylinds^ .€) < O.E.!( a DQQ(Cyitnd1^B) > 0‘2獅A:: > ^MmQODiCyiindsr B ^ O)假设氢的流量恒定，则任意时间点处被加热的气瓶的平均数量可以估算为，avg (n) = I. 4该顺序控制器追踪了从每个气瓶解吸的氢的体积，以便管理对序列中下一个气瓶的预加热以及对为空的气瓶的冷却。该顺序控制器可以是一个可编程的逻辑控制器(PLC)、个人计算机(PC)或者任何基于具有通信能力的嵌入控制器的微处理器。图2描绘了用于在PLC中执行以便管理这些气瓶的顺序的一个示例性软件的流程图。排放深度可以质量流量的积分来计算并且如图2中所示的来执行。替代性地，力口热器功率也可以用来约等于氢的质量流量和由此推导出排放深度。氢的流量与加热器功率按下列方程式相关，
,(以V〕
ItI " — ~iff『)反应函AH是氢化物的一种化学性质。对于MgH2,
/kWh\m- 10.39排放深度可以容易地通过从储存单元的容量中减去该积分来由流量进行计算。为了使这更精确，需要该瞬时损失进行一个良好的估计。这些损失是该储存系统的一个特征但也依赖于环境温度。估计这些损失的一种可能的方式是对该环境温度取样。替代性地，这些气瓶的升温时间是这些损失的函数并且也可以被使用。图3描绘了用于在PLC中执行以便基于加热器能量来管理气瓶排序的一个示例性软件流程图。替代性地，排放深度可以通过观察金属氢化物的温度和解吸压力而进行近似。如上述提到的，这些固态气瓶的冷却是通过在每个气瓶上包括两个单向气体阀(9A、9B、9C、5A、5B、5C)并且在解吸歧管和吸收歧管之间包括一个压力控制阀来进行管理的。在该气瓶的解吸侧的一个单向阀在该冷却中的气瓶和解吸歧管之间通过了隔离手段。因此，如果气瓶IA正在冷却，则氢不能从该公共的解吸歧管2回流到气瓶1A。因此，该气瓶不能再次吸收来自气瓶IB的氢。然而，气瓶IA仍可以通过吸收在该气瓶本身内所有可得的自由气体而诱发一个真空。
为了将气瓶IA保持在正压下，在解吸歧管与吸收歧管之间添加了压力控制阀13。在此氢将提供正压，该阀将氢以非常接近于大气压的压力下(如I. I巴)从解吸气管供应回到该气瓶中。在这个压力下该冷却中的气瓶的吸收速率大约为零并且因此在冷却期间仅有可忽略的氢被再次吸收。一旦该材料被冷却到室温，吸收速率为零。可以接受的是允许气瓶IA形成一个真空，并且因此没有氢将被提供，或者使用另一种气体来源比如氩气、氮气或空气来平衡在该气瓶内由由该冷却中的储存材料产生的压力。将会理解的是，在本说明书中披露和限定的本发明扩展至两个或更多个从正文或附图中提到的或显而易见的单独特征的所有替代性组合。所有这些不同的组合都构成了本发明的不同的替代方面。
权利要求
1.一种用于从一个或多个储氢容器中排出氢的系统，该一个或多个储氢容器包含固体储氢材料，该系统包括 一条氢供应管线，用于连接到一个氢需求上； 一个能量递送系统，用于向这些储氢容器中的至少一个中的储氢材料供应热量以便从该固体储氢材料中解吸出氢； 一个或多个供应连接导管，用于将该供应管线连接到该一个或多个储氢容器上；其中 连接到一个储氢容器上的每个供应连接导管具有一个回流防止装置，当该固体储存材料在该供应管线的压力下不再解吸出氢时，该回流防止装置防止或限制在该供应管线中的氢回流进入该储氢容器中。
2.如权利要求I所述的系统，其中当该固体储存材料在该供应管线的压力下不再解吸出氢时，该能量递送系统被去活并且不再向该储氢容器供应热量。
3.如权利要求所述的系统，其中该回流防止装置是单向阀或截止阀。
4.如权利要求2或3所述的系统，其中提供了一个辅助氢供应系统，以便一旦该能量递送系统被去活则向该储氢容器供应氢。
5.如权利要求4所述的系统，其中该辅助氢供应系统是从该供应管线到至少该已经去活的储氢容器的一个辅助氢导管。
6.如权利要求5所述的系统,其中该辅助氢导管具有一个压力控制阀,用于在低于该供应管线中的压力的一个压力下向该去活的储氢容器供应氢。
7.如权利要求6所述的系统，其中该压力控制阀在略高于大气压的一个压力下向该去活的储氢容器供应氢。
8.如权利要求7所述的系统，其中该压力控制阀是一个递减阀。
9.如权利要求4所述的系统,其中该辅助氢供应系统是一个二级储氢气瓶。
10.如权利要求9所述的系统，其中该氢气瓶在以下压力下供应气体，该压力是用于将该去活的储氢单元中的压力保持在相对于大气压为正的一个压力下。
11.一种用于将氢供应递送至氢供应管线的系统，包括 一个或多个包含固体储氢材料的储氢容器， 至少一个能量递送系统，用于向至少一个储氢容器中的固体储氢材料供应热量，该热量是足以从该固体储氢材料中解吸出氢；以及 一个控制系统，用于基于该氢供应管线中的氢需求而控制该能量递送系统的启动时间，该控制系统被配置成预料或确定当需要将氢从该储氢容器供应到该氢供应管线以满足该氢需求时的时间、并且在该预料的时间之前一段时间启动该储氢容器中的能量递送系统，以允许该储氢容器中的材料加热到以下温度在该温度下氢能够以该氢供应管线中的供应压力被供应从而满足该供应管线中的氢需求。
12.如权利要求11所述的系统，包括两个或更多个包含储氢材料的储氢容器，该控制系统被配置成预料或确定当来自一个第一储氢容器的氢供应下降到低于预设水平时的时间、并且在该预料的或确定的时间之前一个预定时间启动一个第二储氢容器中的能量递送系统，以允许在该第二储氢容器中的材料加热到以下温度，在该温度下氢能够以该氢供应管线的供应压力被供应从而满足该供应管线中的氢需求。
13.如权利要求11所述的系统，其中该控制系统包括一个传感器，该传感器监控了至该供应管线的氢供应变量，以及一个处理器，当该处理器确定该氢供应已经降低到一个预设水平以下时，该处理器启动该储氢容器中的能量递送系统。
14.如权利要求12或13所述的系统，其中当氢的压力已经降到低于该氢供应管线中的压力时，该处理器将这些储氢容器中的一个或多个的能量递送系统去活。
15.一种用于将氢从氢递送系统供应至氢供应管线的方法，该系统包括一个或多个包含固态储氢材料的储氢容器；至少一个能量递送系统，该能量递送系统用于向至少一个储氢容器中的固体储氢材料供应热量，该热量是足以从该固体储氢材料中解吸出氢；以及一个控制系统，该控制系统用于基于该氢供应管线中的氢需求而控制该能量递送系统的启动时间，该方法包括以下步骤 预料或确定当需要将氢从该储氢容器供应到该氢供应管线以满足该氢需求时的时间，并且 加热到以下温度，在该温度下氢能够以该氢供应管线的供应压力被供应，从而满足该供应管线中的氢需求。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤当该储氢容器中的固体储存材料在该供应管线的压力下不再解吸出氢时，将该能量递送系统去活、并且不再向该储氢容器供应热量。
全文摘要
一种用于从两个或更多个包含固体储氢材料的储氢容器1A、1B、1C中排出氢的系统。该系统包括至少一个氢供应管线，用于将这些储氢容器连接到一个氢需求3上；一个能量递送系统6A、6B、6C，用于向每个储氢容器中的储氢材料供应热量以便从该固体储氢材料中解吸出氢；以及一个或多个供应连接导管4A、4B、4C，用于将该一个或多个供应管线连接到这些储氢容器1A、1B、1C上。每个供应连接导管具有一个回流防止装置5A、5B、5C，以便防止该供应管线中的氢回流进入这些储氢容器1A、1B、1C中。还披露了一个用于将氢供应递送至氢供应管线的系统，该系统包括一个控制系统7，该控制系统用于基于该氢供应管线的氢需求而确定一个能量递送系统6A、6B、6C的启动时间。控制系统7启动下一个储氢单元中的能量递送系统6A、6B、6C，以便对下一个储氢容器中的材料提供足够的时间以使其加热到以下温度，在该温度下氢是以该氢供应管线的供应压力被提供的。
文档编号F17C7/00GK102782390SQ201180010127
公开日2012年11月14日 申请日期2011年2月23日 优先权日2010年2月24日
发明者乔丹·克里斯托弗·皮尔斯, 亚历山大·沃纳·奈特, 安德鲁·查尔斯·杜吉德, 斯蒂芬妮·玛亚·莫罗兹, 马修·坎贝尔·格里夫斯 申请人:海德瑞克斯亚股份有限公司