阅读说明：本技术 包括使压力稳定的吸附材料的氢气利用/产生系统 (Hydrogen utilization/generation system including pressure-stabilizing adsorbent material ) 是由 迈克尔·弗朗西斯·莱维 乔恩·奥伯拉姆 卡斯滕·波尔曼 J-B·德芒东 于 2018-02-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种氢气利用和/或产生系统(100),该系统包括：包括适于容纳氢气的第一腔室(110)的单元；以及,用于控制所述第一腔室内的氢气压力的构件,所述构件包括适于储存氢气的第二腔室(120),在所述第二腔室内布置有用于通过吸着可逆地储存氢气的材料(121)；所述第一腔室和所述第二腔室配置成使得该材料(121)通过吸着来捕获和/或释放氢气,以便限制和/或稳定所述第一腔室(110)内的氢气压力。(The present invention relates to a hydrogen utilization and/or generation system (100) comprising: a unit comprising a first chamber (110) adapted to contain hydrogen; and means for controlling the pressure of hydrogen within the first chamber, said means comprising a second chamber (120) suitable for storing hydrogen, inside which a material (121) for reversibly storing hydrogen by sorption is arranged; the first and second chambers are configured such that the material (121) captures and/or releases hydrogen by sorption in order to limit and/or stabilize the hydrogen pressure within the first chamber (110).)

包括使压力稳定的吸附材料的氢气利用/产生系统

技术领域

本发明涉及氢气利用系统。本发明还涉及相关的方法。

背景技术

目前有多种氢气利用系统。这些系统可使用氢气来产生电力、参与化学过程、储存氢气、使车辆移动和/或提供电力至可移动系统，即，特别是因其质量及其体积而适合移动的器件，例如便携设备，例如对诸如移动电话的装置再充电或供应能量的设备。

这些系统必须遵从与它们预期用途相关的多重限制，例如在可变环境温度下(例如相对较低的环境温度下)，例如在机动车辆中使用和/或供应电力至燃料电池的应用中，储存或使用的特定条件的多重限制。

因此，需要可接受的压力及足够速率来确保所计划的用途。但是，特别当该装置例如在变化的氢气产量、变化的储存单元温度和/或变化的氢气消耗下来接受压力和/或可变速率氢气时，使用氢气会产生安全性问题。能够设计这样的系统：通过强化该系统的壁来使其能够承受它们会承受的压力。但这会产生装置的制造成本及重量过重的问题，同时仍存在安全性风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢气利用系统，该氢气利用系统能够解决现有技术中的至少一个缺点。

本发明的目的尤其在于提供一种安全且有效的系统。

为达此目的，提供一种氢气利用系统，包括：

单元，所述单元包括适于容纳氢气的第一腔室；

用于控制所述第一腔室内的氢气压力的构件，所述构件包括适于储存氢气的第二腔室，在所述第二腔室内布置有用于通过吸着可逆地储存氢气的材料；

所述第一腔室和所述第二腔室配置成使得所述材料通过吸着来捕获和/或释放氢气，以便限制和/或稳定所述第一腔室内的氢气压力。

这些特征有利地通过以下特征单独或以其技术上任何可能的组合来补充：

第一腔室和第二腔室保持流体连通；

至少一个开口和/或管，例如多个开口和/或管，以保持第一腔室和第二腔室的流体连通；

第一防回流阀，适于使氢气流从第一腔室流至第二腔室；

当第一腔室内的压力超过开启压力时，第一防回流阀用于使氢气流从第一腔室流至第二腔室；

流体连通的构件进一步包括：第二防回流阀，该第二防回流阀适于当第二腔室中的压力超过第一腔室中的压力时，使氢气流从该第二腔室流至该第一腔室；

该材料适于形成金属氢化物；

控制构件；

用于加热该材料的构件。

本发明还涉及一种用于操作该系统的方法。

附图说明

本发明的其他特性及优点将从对实施方式的以下描述中显现。在所附附图中：

图1示出根据本发明的示例性实施方式的系统；

图2示出根据本发明的另一示例性实施方式的系统；

图3示出根据本发明的示例性实施方式的方法；

图4以曲线图的形式示出了图1的系统的第一腔室和第二腔室内的压力(以巴为单位)随时间的变化；

图5以图的形式示出了图2的系统的压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化；

图6以曲线图的形式示出了根据现有技术的单一腔室的构造和图2的系统中的压力(以巴为单位)随时间的变化。

具体实施方式

氢气利用系统

一般性说明

参考图1和图2，这些图描述了氢气利用系统100。

该系统包括一单元。该单元是例如用于利用氢气和/或产生氢气的单元，例如通过电解产生氢气的单元。该单元包括例如适于容纳氢气的第一腔室110。该氢气例如至少以气态的形式被容纳。该氢气例如进一步以液态形式被容纳或通过吸附被容纳。

除非另外声明，否则第一、第二及其他序数的用语只是用以列举元件而非强调这些元件之间的顺序。

第一腔室110例如适于储存氢气。替代地或另外地，该第一腔室例如适于容纳氢气流，且该第一腔室形成例如管。

系统100包括第二氢气储存腔室120。系统100包括氢气储存材料121。该材料121布置在第二腔室120内。例如，材料121为例如通过吸着来可逆储存氢气的材料。

材料121可为固体材料或呈凝胶形式。材料121可为通过吸附和/或吸收来储存的材料。材料121可为通过氢化和/或脱氢的储存材料。

可逆意指起初被填充且已至少部分地排放的材料可至少部分地用该材料置于其中的介质(例如由气态氢气组成的介质)再填充。

部分再填充可按照惯例定义为在小于或等于200巴的压力下且在适用于再填充材料的温度范围内例如在用于在所考虑的压力下再填充该材料的最佳温度下进行再填充，例如以便达到给定填充率，例如50％，例如以便使该填充率增加给定百分比，例如至少10％。

吸着意指将物质吸附或吸收于另一物质上或中的过程。吸收意指材料将分子保持于其体积中的能力。吸附意指材料将分子保持于其表面上的能力。

系统包括用于控制第一腔室内氢气压力的构件。该控制构件形成例如控制组件。

在第一腔室仅容纳氢气作为气体的情形中，氢气压力等于第一腔室内的压力。在第一腔室容纳包括氢气在内的多种气体的情形中，氢气压力是第一腔室内的氢气分压。

氢气压力控制构件包括适于储存氢气的第二腔室120，并且在该第二腔室内布置有通过吸着来可逆储存氢气的材料121。

第一腔室110和第二腔室120例如配置为使得材料121通过吸着来捕获和/或释放氢气，以限制和/或稳定第一腔室110内的氢气压力。

第一腔室110和第二腔室120例如配置成当第一腔室110内的压力，特别是氢气压力上升时，材料121限制第一腔室110内的氢气压力。通过用该材料捕获氢气，能够限制压力，特别是氢气压力的不必要增加。

替代地或另外地，系统配置成通过材料121来稳定该第一腔室110内的氢气压力。系统例如配置成当第一腔室110遭遇压力变化，特别是氢气压力变化时，材料121使该第一腔室110内的氢气压力稳定。

稳定构件降低了相对较佳压力形成差异的变化、增加、降低或波动。通过该材料来捕获氢气和/或释放氢气，能够避免压力的大幅度变化及不必要的变化，从而使该压力稳定。

能够获得这样的系统：该系统即使在压力存在增加或变化现象的情形下，仍可以以令人满意的速率和压力供应或接收氢气且没有安全性风险。

该系统亦省掉安全阀，或至少限制在极端情形它的使用。这避免或限制了与此类阀相关的缺点，例如随着该压力上升而引起的氢气损失、与氢气的排放相关的安全性风险以及与此类阀的操作缺点相关的风险、必须对此类阀进行的维护操作、在排放氢气时与固体材料的排放相关的此类阀的操作缺点的风险。该系统亦免除储存与运输的限制条件，尤其是针对温度方面。这避免或限制了与该等限制相关的缺点，例如由制造至使用该系统时实施这些条件的复杂性；当例如汽车工业的应用领域已有许多规定时，例如特别是通过海运或陆运的运输时对运输中必须承受的高温的限制，例如该系统例如在有火的情形中突然承受非常高温时的额外风险，以及例如布置储存系统的逻辑可能性及因此其可用性的限制。

该系统比专门加固以提供更高稳定性的容器更具优势。此外，可避免与特别加固的容器相关的大幅质量增加和它给使用者带来的缺点，以及将该系统的输入和/或输出的尺寸设置成特别是在高压下可承受的可能条件的需求。

该系统比制造具有未被占据的额外体积的系统更具优势。由于氢气的密度低，所以该额外体积对减少压力提供的优势有限，因此可提出更有利的解决方案。此外，能够防止与具有较大内体积的容器相关的质量和体积增加及它为使用者带来的缺点。

特别地，就稳定性而言，该系统例如吸收压力上升且消除在该单元的区域中的压力尖峰及任何下降。这改善该单元的调整和使用。因此可被动地调整该压力以使它收敛地更快。无论是超压还是负压，该系统均可吸收约为渐近值的相当大的压力波动。

系统100例如适合供应氢气至如下文所描述的氢气利用单元、和/或接收来自如下文所描述的氢气产生单元的氢气。该系统100例如配置为形成氢气储存和供应系统的一部分或配置为进一步形成氢气储存和供应系统。

系统100例如配置成使得氢气压力控制构件形成如下文所描述的可更换和/或可拆卸装置。氢气压力控制构件例如形成一筒。

临界压力

该系统100例如配置为使得例如当该第一腔室110经受氢气压力上升时，该第二腔室120和/或该材料121限制该第一腔室110内的氢气压力，使得第一腔室内的压力保持小于或等于被称为临界的压力，或者不超过被称临界压力的某一阈值，例如，对于小于或等于被称为的临界温度的温度和/或对于第一腔室容纳的小于或等于被称为临界量的氢气量而言。

该临界压力对应于一预定的值，该预限定的值确定为对该系统来讲为临界的值，例如对临界量及临界温度而言。

可将该氢气压力控制构件的尺寸设置为使第一腔室的压力和/或第一腔室的氢气压力保持在一预设压力以下。预先对材料进行选择以控制该第一腔室将要承受的压力，从而决定氢气压力控制构件的尺寸。

材料

材料121包括或为例如适于形成氢化物，例如金属氢化物的氢气储存材料。

材料121包括或为例如适于例如在环境温度下形成氢化物的金属合金。

材料121包括例如粉末。

材料121可包括金属合金或由金属合金组成，例如A_nB_m类型的金属间化合物，例如AB_m类型，例如AB₂或AB₅，例如A_nB类型，例如A₂B，例如AB，其中A和B是金属化学元素，且n和m是大于或等于1的自然数。

材料121可包括或其组成为金属合金，例如金属间化合物，其包括铁和/或钒和/或钛和/或锆和/或镁。该材料121可包括或其组成为以下中的至少一种合金：LaNi₅和/或FeTi和/或TiCr和/或TiV和/或TiZr和/或TiMn₂和/或Mg类型的合金，和/或相应的氢化物。该材料121亦可包括或其组成为以下中的至少一种氢化物：NaAlH₄和/或LiNH₂和/或LiBH₄和/或MgH₂类型，以及相应的脱氢形式。该材料121可包括或其组成为Ti_(1–y)Zr_y(MnVFe)₂类型的合金，其中y大于或等于0且y小于或等于1。

加热构件

系统100可包括用于加热材料121的构件113。该加热构件113例如适合于将该材料121加热至该材料121的操作温度。

系统可包括改善热传送和/或保持循环时的效能和/或穿透性和/或关于预计的应用的其他功能的一种或多种材料。

超压阀

装置100可包括第一超压阀，其适于使气体例如氢气从例如该装置100，例如从第一腔室110排出，以便例如限制该系统的氢气压力和/或防止该系统100，例如储存单元的超压，例如超过该系统100的最大压力，例如第一腔室110的最大压力。

装置的最大压力意指例如该装置当置于操作中时不受损坏所处的压力。该装置的最大压力例如小于或等于300巴，例如等于300巴；例如小于或等于100巴，例如等于100巴；例如小于或等于20巴，例如等于20巴。

第二腔室

第二腔室120具有例如严格小于第一腔室110体积的体积，例如小于或等于第一腔室110体积的80％，例如小于或等于该第一腔室体积的50％，例如大于或等于第一腔室体积的10％。

第二腔室120例如为缓冲腔室。

壳体

单元包括例如第一壳体114。第一腔室110例如在第一壳体114内延伸。该第一壳体114例如环绕第一腔室110延伸。第一壳体114划界和/或界定例如第一腔室110。

氢气压力控制构件包括例如第二壳体124。第二腔室120例如在第二壳体124内延伸。第二壳体124例如环绕第二腔室120延伸。第二壳体124划界和/或界定例如第二腔室120。

该第二壳体124延伸例如超出该第一壳体114。或者，该第二壳体124例如在该第一壳体114内延伸。

第一壳体114的至少一个壁例如与第二壳体124的至少一壁延续。或者，第二壳体124例如设置为距离第一壳体114的壁的一定距离。第二壳体例如设置在第一腔室110内。

第二腔室120和/或第二壳体124例如适于散热。

第一实施例

第一防回流阀

参考图1，系统100可包括第一防回流阀140。第一防回流阀140是例如适于允许氢气流从第一腔室110流至第二腔室120。第一防回流阀140是例如适于在第一腔室110内的压力超过第一开启压力时，允许氢气流从第一腔室110流至第二腔室120。该开启压力适用于所预计的应用。

超过一定压力，可将氢气从第一腔室110转移至第二腔室120。

第一防回流阀140例如是压差阀。

第二防回流阀

装置100可包括第二防回流阀150。

第二防回流阀150是例如适于在第二腔室120内的压力超过第一腔室110内的压力时，允许氢气流从第二腔室120流至第一腔室110。

当压力再次降低时，可因此将已转移至第二腔室120的氢气送回第一腔室110。

第二防回流阀150例如是止回阀。

第二超压阀

装置100可包括第二超压阀，该第二超压阀适于允许气体(例如氢气)例如从第二腔室120排出，例如以便限制装置的氢气压力和/或防止装置100的超压，例如超过装置100的最大压力。

热力学性质

材料121的热力学性质，例如该材料的平衡压力，例如吸着平衡压力或解吸平衡压力，例如在给定温度或给定温度范围的吸附或解吸平衡压力对应于例如单元的操作条件。

在给定温度及给定填充率下，材料的解吸平衡压力意指施加于材料上以使得不存在氢气释放的最小气体压力。在极低压力下，氢气会释放。

在给定温度和给定填充率下材料的吸收或吸附平衡压力意指施加于材料上以使得不存在氢气吸收或吸附的最大气体压力。在极高压力下，会吸收或吸附氢气。

相同填充率例如为40％至60％，例如基本等于50％。

填充率例如以百分比来表示。

填充率可定义为在在给定温度下引入至系统的氢气质量与系统可容纳的最大氢气质量的比。

按照惯例，可定义为在例如200巴的基准压力下计算最大质量及由此计算填充率。

例如，第二腔室120在操作温度下的压力平衡严格小于单元将要承受的最大压力。第二腔室120的操作温度可为与该第一腔室110的操作温度相同的温度。第二腔室120亦可与该第一腔室110热隔离以便具有独立于第一腔室的一温度。第二腔室的材料121是例如选择为使得该系统可在给定条件下，尤其在给定温度或在给定温度范围内，能吸收来自第一腔室110的剩余氢气。

行为的实例

参考图4，示出了第一腔室110的压力501(以实线表示)和第二腔室120的压力502(以虚线表示)随着时间的变化。第二腔室120通过将第一腔室110的压力保持在临界压力的范围来限制第一腔室的压力。

若到达第一开启压力，则氢气从第一腔室110转移第二腔室120。材料121依据该材料的平衡吸着压力开始吸收氢气。当第一腔室110内的压力充分降低时，氢气至第二腔室120的转移停止。当第一腔室110的压力降低至第二腔室120的压力以下时，氢气转移至第一腔室110。在第二腔室120中的氢气可因此再次转移至第一腔室，从而防止损失。

在该详细实例中，该构造是通过使用基于TiMn₂的材料作为材料121来实施，其具有当第一腔室110内的压力超过30巴时适于吸收氢气的平衡压力，因此可获得紧致且相对压力的升高(例如归因于温度升高或故障)具有安全性的系统。

第二实施例

流体连通构件

参考图2，系统100可包括使氢气流从第一腔室110流至第二腔室120和/或从第二腔室120流至第一腔室110的流体连通构件122。该系统，例如该流体连通构件122例如配置为使第一腔室110和第二腔室120保持流体连通。该流体连通构件122可包括或者为流体连通组件。

因此，可将第二腔室120整合在与第一腔室相同的回路中，该系统被配置为在例如用于操作第一腔室的条件(例如压力)下来起作用，该压力例如在材料121的约50％的填充率且在该第二腔室所选择的温度(例如50℃)下的吸收或吸附平衡压力与解吸平衡压力之间。第二腔室120的操作温度可为与第一腔室110的操作温度相同。第二腔室120可与第一腔室110热隔离以便具有独立的温度。第二腔室120的材料例如选择为能够在给定的条件下，尤其是给定的温度下使系统能够从第一腔室110吸收和/或吸附氢气和/或使解吸氢气至第一腔室110。

该系统可通过由材料121储存或供应氢气来吸收压力变化的峰与谷，从而更稳定地保持压力。

该流体连通构件122包括例如连接第一腔室110和第二腔室120的至少一个开口和/或管，例如多个开口和/或管。该开口例如为孔口。至少一个开口和/或管，例如各个开口和/或管例如与至少一个过滤元件123装配，该过滤元件包括例如一个或多个过滤器。该过滤元件例如适于允许氢气通过和/或阻止氢气储存材料通过。该过滤元件123例如适于防止固态物质的通过，例如防止第二材料121的颗粒的通过。该过滤元件123可包括多孔材料，例如具有多孔区段的一个或多个管道、和/或织物或非织造纤维、和/或波纹板，例如波纹板金属，和/或一个或多个泡沫体和/或一个或多个线材结构。

该系统在第一材料与第二材料之间不需要被动或主动的阀系统或其他流量控制机构，从而能够简单地设计且更容易制造。

该流体连通构件122，例如开口和/或管122例如设置在该第二壳体124的区域中。第二壳体124包括例如流体连通构件122。

第一腔室包括例如氢气与至少一种其他气体的混合物。至少一种其他气体包含例如燃料气体，例如化石燃料气体、例如一种或多种碳氢化合物气体、例如天然气，和/或非化石燃料气体、例如生物质气体和/或甲烷。在该情形中，控制构件可适于限制第一腔室内的氢气分压。这在另一气体，例如燃料气体与氢气一起循环的设备中特别重要，因为当必要时可管理第一腔室中氢气相对于例如燃料气体的其他气体的量，以便调整混合物的燃烧值。从而能够确保用以供应的气体(例如燃料气体)的网络的使用者获得定义为随着该网络接收的气体体积改变的能量供应。这可容许该网络的提供者确保该网络符合关于允许氢气的最大值(例如分压或浓度)的任何规定。

详细实例

参考图5，其示出了压力随填充氢气(以重量百分比计)的变化。对例如吸着作用的平衡压力，例如解吸和/或吸收和/或吸附的平衡压力进行选择，以使控制压力构件与第一腔室110一起作用。即，在第一腔室的操作压力下，将该材料121填充至大约50％。所选的材料121的量以在系统的预期压力变化下吸收预期的氢气。依此方式，若该系统的压力上升或下降，该材料121可吸收/吸附氢气或者解吸氢气。

参考图6，该图以曲线图的形式描述了压力(以巴为单位)随时间的变化，其中压力701为根据现有技术的单一腔室的构造(以虚线表示)，压力702为根据第二实施例的系统实例(以实线表示)。若该系统压力变化，例如由于氢气产生的速率改变或者例如若有氢气消耗的改变或者例如存在两者的组合，现有技术中的压力的变化如701所示。在存在压力控制构件的情形下，能够大幅减少该波动。若系统的压力超过材料的吸收或吸附平衡压力，则材料121吸收或吸附氢气且系统的压力与没有第二腔室120的系统相比在较小的范围内稳定。材料121可以此方式进一步处理压力降低的情形。材料可因此进行解吸。从而大幅地减少系统的压力变化。

在详细实例中，该构造用于在建立稳定状态期间供应具有低变化的氢气流，并使压力快速稳定。

系统的实例

该系统例如是氢气储存和/或供应系统。

该系统例如是用于车辆的氢气储存和/或供应系统。该车辆例如是机动车辆。该机动车辆例如是由例如燃料电池供电的电动车辆。该机动车辆例如是热力发动机车辆。

该系统例如是用于固定系统的氢气储存和/或供应系统。该固定系统例如是电力供应单元，例如发电机，例如用于供应备用和/或紧急电力的单元，例如照明单元，例如用于照明建筑物的单元。例如，该电力供应单元是为可携式。

该系统例如是可移动系统，即特别是因其质量及体积而适于移动的设备，例如个人携带的便携式设备。该可移动系统例如为适于向诸如移动电话的装置充电或供应能量。

单元

该系统包括例如至少一个单元，例如多个该单元。

至少一个单元是或包括例如氢气消耗单元。

至少一个单元是或包括例如用于例如在排气管线的区域中处理来自马达的气体的系统。

至少一个单元是或包括例如燃料电池，例如具有质子交换膜的燃料电池。

至少一个单元可包括燃料电池和/或适于由该燃料电池供电的电动马达。该至少一个单元是或包括例如氢气马达，例如适合被供应氢气的热力发动机，例如内燃机和/或混合动力发动机。

该系统例如被配置为使得至少一个系统100可供应氢气单元。

例如，该单元具有大于或等于1.5巴，例如2.5巴、例如5巴、例如10巴的输入压力。

替代地或另外地，该至少一个单元是或包括例如氢气产生单元。

该至少一个单元是或包括例如用于通过电解和/或通过催化重整和/或光催化来产生氢气的系统。

该系统例如被配置为使得可通过该单元向其供应氢气。

控制构件

该系统可包括控制构件270。该控制构件可包括至少一个处理器和/或RAM和/或ROM和/或显示构件，例如终端机。

控制构件270可包括适用于例如实时地测量和提供系统状态的一个或多个测量值的一个或多个传感器。控制构件270可包括第一腔室的第一温度传感器214和/或第二腔室的第二温度传感器224。控制构件270可包括第一腔室的第一压力传感器214和/或第二腔室的第二压力传感器224。

控制构件270可例如对系统100进行控制，例如对系统100的加热构件113进行控制。

该控制构件例如配置为实施诸如下文所描述的方法。

方法

实施例

参考图3，该图描述了用于实施该系统100的方法。

该方法可包括用于制造或提供系统100的步骤1300。

该方法可包括用于使用系统100和/或单元的步骤1302。步骤1302可包括用于如上所述地控制第一腔室的氢气压力的步骤13020。

该方法可包括用于增加第一腔室的氢气压力的步骤1304。这氢气压力的增加可具有多数原因，例如温度的上升。该方法可包括将氢气转移至第二腔室以限制第一腔室内的氢气压力和/或通过材料121捕获氢气的连续步骤1306。该第二步骤1306是例如通过第一防回流阀140来进行，且例如通过第二防回流阀150的补充来进行。

该方法可包括在第一腔室内的氢气压力减少的步骤1308。该方法可包括用于将氢气从第二腔室120转移至第一腔室110和/或通过材料121释放氢气的连续步骤1310。步骤1310是例如当第二腔室120内的压力高于第一腔室110内的压力时进行。步骤1308与步骤1310可如步骤1304与步骤1306一样是连续步骤或非连续步骤。

该方法可包括第一腔室内的氢气压力变化，例如第一腔室内的氢气压力波动的步骤1312。该方法可包括一连续步骤1314，用于经由第二腔室，尤其是通过材料121例如依次或以相反顺序来捕获和/或释放，例如连续地捕获和释放来自第一腔室的氢气以稳定第一腔室内的氢气压力。例如因为第二腔室在存在或不存在阀的情形下均是流体连通，所以这是可行的。步骤1312与步骤1314可为如步骤1304、步骤1306、步骤1308与步骤1310一样是连续的步骤或非连续步骤。

步骤1304、步骤1306、步骤1308、步骤1310、步骤1312和/或步骤1314可重复一次或多次。