固态氢存储装置 |
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| 申请号 | CN201611060573.9 | 申请日 | 2016-11-25 | 公开(公告)号 | CN107093753A | 公开(公告)日 | 2017-08-25 |
| 申请人 | 现代自动车株式会社; | 发明人 | 朴相柏; 林泰源; 南东勋; | ||||
| 摘要 | 一种固态氢存储装置，包括：第一 存储器 ，用于存储可逆固态氢存储材料；反应器，布置在第一存储器中以便能够在其中进行不可逆固态氢存储材料的 水 解 反应；以及 燃料 电池 堆，其中，不可逆固态氢存储材料存储在反应器中，并且其中，不可逆固态氢存储材料在进行水解时释放热。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种固态氢存储装置，包括： |
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| 说明书全文 | 固态氢存储装置技术领域[0001] 本公开涉及一种固态氢存储装置。 背景技术[0002] 已积极进行基于固态氢存储材料的系统的开发，以解决高压气态氢存储系统的当前的低体积存储密度问题。 [0003] 然而，基于金属氢化物(其是一种固态氢存储材料)的络合氢化物是可逆的且具有高存储能力，但是需要大约100℃的高温环境以及持续的热供应以释放氢。换言之，金属氢化物在氢释放和存储反应的可逆性方面是优异的，但是难以实际使用，因为它在高温下操作并且需要持续的热供应以用于氢释放。此外，在高温下操作的这种固态氢存储系统的开发正在进行中。 [0005] 已进行了关于通过改变容器内部的管道的热交换翅片或类型、尺寸、位置等或者改变氢存储材料的加载方法来改善该问题的研究。然而，这些解决方案由于系统重量的增加而导致重量存储能力的降低。 [0006] 因此，需要在使操作固态氢系统所需的热的量最小化以及改进重量存储能力方面的改进。发明内容 [0007] 本公开已致力于提供一种固态氢存储装置，该固态氢存储装置具有能够改进热效率和重量存储效率的优点。 [0008] 本公开的一示例性实施方式提供一种固态氢存储装置，该固态氢存储装置可包括：第一存储器，用于存储可逆固态氢存储材料；反应器，布置在第一存储器中以便能够在其中进行不可逆固态氢存储材料的水解反应；以及燃料电池堆，其中，不可逆固态氢存储材料存储在反应器中。 [0009] 不可逆固态氢存储材料可用来在进行水解时释放热。 [0010] 不可逆固态氢存储材料可以是M1BH4、M2(BH4)2、M3(BH4)3、AlH3、NH3BH3、NH4B3H8、NH2B2H5、NaBP2H8或其组合，其中，M1可表示Li、Na或K，M2可表示Mg或Ca，并且M3可表示Al或Ti。 [0011] 不可逆固态氢存储材料可以是NaBH4、NH3BH3或其组合。 [0012] 可逆固态氢存储材料可以是M4AlH4、M5(AlH4)2、M6NH2、M7(NH2)2、Li2NH、MgNH、锂镁酰胺、锂镁酰亚胺、M8H、M9H2、Ti-Cr-V合金、TiFe、Pd-M10、Li-M11、Mg-Co合金、La-Ni合金或其组合。 [0013] M4可表示Li、Na或Al，M5可表示Mg或Ca，M6可表示Li或Na，M7可表示Mg或Ca，M8可表示Li、Na、K、Rb或Cs，M9可表示Mg、Ca、Sc、Ti或V，M10可表示Ba、Y或La，并且M11可表示Ti、V、Zr、Nb或Hf。 [0015] 不可逆固态氢存储材料的含量相对于可逆固态氢存储材料和不可逆固态氢存储材料的共计100wt％可在0wt％至33.2wt％的范围中。 [0016] 固态氢存储装置可进一步包括供水管，该供水管具有连接至反应器的第一侧以及连接至燃料电池堆的第二侧，以便将水供应至反应器。 [0017] 本公开的一示例性实施方式提供一种固态氢存储装置，该固态氢存储装置可包括：第一存储器，用于存储可逆固态氢存储材料；反应器，布置在第一存储器中以便能够在其中进行不可逆固态氢存储材料的水解反应；燃料电池堆；以及第二存储单元，用于在其中存储不可逆固态氢存储材料且连接至反应器。 [0018] 第二存储单元可包括：第一单位存储单元(first unit-storage unit)，用于存储不可逆固态氢存储材料；以及第二单位存储单元(second unit-storage unit)，用于存储在不可逆固态氢存储材料的水解反应之后生成的氧化物。 [0019] 第一单位存储单元和第二单位存储单元中的每一个可包括两个以上的第一单位存储单元。 [0020] 第一单位存储单元和第二单位存储单元中的每一个可被单独替换。 [0021] 固态氢存储装置可进一步包括第一供应管，该第一供应管具有连接至第一单位存储单元中的每一个的第一侧以及连接至反应器的第二侧，以便将不可逆固态氢存储材料供应至反应器。 [0022] 固态氢存储装置可进一步包括第二供应管，该第二供应管具有连接至第一供应管的第一侧以及具有燃料电池堆的第二侧，以便将水供应至第一供应管。 [0023] 固态氢存储装置可进一步包括气体/溶液分离器，该气体/溶液分离器连接至反应器，以便将在反应器中所包含的不可逆固态氢存储材料的水解反应中生成的氢气与氧化物分开。 [0024] 固态氢存储装置可进一步包括第三供应管，该第三供应管具有连接至反应器的第一侧以及连接至气体/溶液分离器的第二侧，以便将在反应器中所包含的不可逆固态氢存储材料的水解反应中生成的氢气和氧化物供应至气体/溶液分离器。 [0025] 固态氢存储装置可进一步包括第四供应管，该第四供应管具有连接至气体/溶液分离器的第一侧以及连接至第二单位存储单元的第二侧，以便将来自气体/溶液分离器的氧化物供应至第二单位存储单元。 [0026] 不可逆固态氢存储材料可用来在进行水解时释放热。 [0027] 不可逆固态氢存储材料可以是M1BH4、M2(BH4)2、M3(BH4)3、AlH3、NH3BH3、NH4B3H8、1 2 3 NH2B2H5、NaBP2H8或其组合，其中，M可表示Li、Na或K，M可表示Mg或Ca，并且M可表示Al或Ti。 [0028] 不可逆固态氢存储材料可以是NaBH4、NH3BH3或其组合。 [0029] 可逆固态氢存储材料可以是M4AlH4、M5(AlH4)2、M6NH2、M7(NH2)2、Li2NH、MgNH、锂镁酰胺、锂镁酰亚胺、M8H、M9H2、Ti-Cr-V合金、TiFe、Pd-M10、Li-M11、Mg-Co合金、La-Ni合金或其组合。 [0030] M4可表示Li、Na或Al，M5可表示Mg或Ca，M6可表示Li或Na，M7可表示Mg或Ca，M8可表示Li、Na、K、Rb或Cs，M9可表示Mg、Ca、Sc、Ti或V，M10可表示Ba、Y或La，并且M11可表示Ti、V、Zr、Nb或Hf。 [0031] 可逆固态氢存储材料可以是NaAlH4或包含Mg(NH2)2和LiH的复合材料。 [0032] 不可逆固态氢存储材料的含量相对于可逆固态氢存储材料和不可逆固态氢存储材料的共计100wt％可在0wt％至33.2wt％的范围中。 [0033] 固态氢存储装置可进一步包括供水管，该供水管具有连接至反应器的第一侧以及连接至燃料电池堆的第二侧，以便将水供应至反应器。 [0034] 固态氢存储装置可用于车辆。 [0035] 根据本公开的一示例性实施方式，能够提供一种能够改进其热效率和重量存储效率的固态氢存储装置。 [0037] 图1是示出根据本公开的一示例性实施方式的固态氢存储装置的示意图。 [0038] 图2是示出根据本公开的一示例性实施方式的固态氢存储装置中的氢存储单元的示意图。 [0039] 图3是示出根据本公开的另一示例性实施方式的固态氢存储装置的示意图。 [0040] 图4是示出根据本公开的另一示例性实施方式的固态氢存储装置中的氢存储单元的示意图。 [0041] 图5是示出根据传统技术的不可逆固态氢存储材料存储单元的示意图。 [0042] 图6是示出根据本公开的一示例性实施方式的不可逆固态氢存储材料存储单元的示意图。 具体实施方式[0045] 此外，为了更好地理解和便于描述，附图中所示的每个构造的尺寸及厚度可被任意示出，但本公开不限于此。 [0046] 在附图中，为了清晰起见，层、膜、面板、区域等的厚度可被放大。在附图中，为了更好地理解且便于描述，一些层和区域的厚度可被放大。应理解的是，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称为在另一元件“在......之上”时，其可直接在另一元件上或者也可存在中间元件。 [0047] 此外，除非明确说明相反，否则词语“包括(comprise)”及诸如“包含(comprises)”或“含有(comprising)”等的变型将被理解为暗示包括所述元件但并不排除任何其它元件。此外，在本说明书中，词语“在......之上”意味着位于对象部分之上或对象部分之下，而不一定意味着位于对象部分的基于重力方向的上侧。 [0048] 在本说明书中，重量存储效率可表示包含在固态氢存储材料中的氢的重量与固态氢存储材料和存储单元的总重量的比值。 [0049] 图1是示出根据本公开的一示例性实施方式的固态氢存储装置的示意图。图2是示出根据本公开的一示例性实施方式的固态氢存储装置中的氢存储单元的示意图。在下文中，将参考图1和图2描述根据本公开的该示例性实施方式的固态氢存储装置。 [0050] 在本示例性实施方式中，固态氢存储装置可包括：第一存储器1，被构造为存储可逆固态氢存储材料；反应器2，布置在第一存储器1中以便能够在其中进行不可逆固态氢存储材料的水解反应；以及燃料电池堆3。在这种情况下，不可逆固态氢存储材料存储在反应器2中。然而，在第一存储器1和反应器2中，除了可逆固态氢存储材料和不可逆固态氢存储材料以外还可存储其他材料。 [0051] 当进行水解过程时，不可逆固态氢存储材料可用来释放热。 [0052] 如上所述，可用作氢燃料源的金属氢化物在氢气释放和存储反应的可逆性方面是优异的。然而，金属氢化物在大约100℃的高温下操作并且需要持续的热供应以用于氢释放。 [0053] 在根据本示例性实施方式的固态氢存储装置中，在反应器中所包括的不可逆固态氢存储材料的水解反应中生成的热可直接传递至被构造为存储可逆氢存储材料的存储单元。因此，当车辆最初起动时，其中存储有金属氢化物的存储单元可被快速加热，由此改进起动性能。此外，能够通过使用在不可逆氢存储材料的水解过程中所生成的热来降低热交换器的大量热消耗，由此改进热效率。 [0054] 此外，由于在不可逆氢存储材料的水解中生成的氢气可供应至燃料电池堆3以用作氢燃料，所以可改进氢存储装置的总重量存储效率。通常，用作主要氢燃料源的金属氢化物相对于合金的总重量具有用于氢的大约2wt％的存储量。然而，不可逆氢存储材料可具有大约5wt％的高含量率。因此，能够通过使用具有高重量存储效率的不可逆氢存储材料来改进设备的总体氢存储效率。 [0055] 在本示例性实施方式中，固态氢存储装置可进一步包括供水管4，该供水管被构造为具有连接至反应器2的第一侧以及连接至燃料电池堆3的第二侧，以便将水供应至反应器2。 [0056] 能够通过将在整个装置中循环的冷却剂等用作用于进行不可逆氢化物的水解反应的供水源来使装置的效率最大化。 [0057] 现在将描述包括不可逆氢化物的水解反应的操作顺序。用于水解的催化剂以及不可逆氢化物可存储在反应器中。在这种情况下，它们可存储为简单混合物或存储在多个容器(capsule，囊)中。这仅是实例，并且本公开不限于此。当水通过供水管供应至反应器时，可发生不可逆氢化物的水解反应，由此释放热。热可传递至包含在第一存储器1中的可逆氢存储材料，由此从可逆氢存储材料中释放氢。该操作顺序仅是实例，并且本公开不限于此。 [0058] 当通过水解反应释放氢时，不可逆固态氢存储材料可以是在-40℃至100℃的可操作温度范围下操作的且相对于总材料重量具有5wt％或更大的重量存储能力的氢存储材料。在这种情况下，由水解反应引起的摩尔热值可高于由可逆固态氢存储材料的氢释放引起的热吸收的摩尔量，由此促进有效的热供应。其具体实例可包括络合金属氢化物、化学氢化物以及通过结合其两种以上而获得的复合材料。 [0059] 例如，不可逆固态氢存储材料可以是M1BH4、M2(BH4)2、M3(BH4)3、AlH3、NH3BH3、NH4B3H8、NH2B2H5、NaBP2H8或其组合。然而，不可逆固态氢存储材料可以是具有上述特性的任意材料，且不限于此。 [0060] (M1表示Li、Na或K，M2表示Mg或Ca，并且M3表示Al或Ti。) [0061] 例如，不可逆固态氢存储材料可以是NaBH4、NH3BH3或其组合。 [0062] 不可逆固态氢存储材料可以是在-40℃至100℃的可操作温度范围下操作的且相对于总材料重量具有2wt％或更大的重量存储能力的氢存储材料。其具体实例可包括络合金属氢化物、金属氢化物、储氢合金以及通过结合其两种以上而获得的复合材料。 [0063] 例如，可逆固态氢存储材料可以是M4AlH4、M5(AlH4)2、M6NH2、M7(NH2)2、Li2NH、MgNH、锂镁酰胺(lithium-magnesium amide)、锂镁酰亚胺(lithium-magnesium imide)、M8H、M9H2、Ti-Cr-V合金、TiFe、Pd-M10、Li-M11、Mg-Co合金、La-Ni合金或其组合。然而，可逆固态氢存储材料可以是具有上述特性的任意材料，且不限于此。 [0064] (M4表示Li、Na或Al，M5表示Mg或Ca，M6表示Li或Na，M7表示Mg或Ca，M8表示Li、Na、K、Rb或Cs，M9表示Mg、Ca、Sc、Ti或V，M10表示Ba、Y或La，并且M11表示Ti、V、Zr、Nb或Hf。)[0065] 例如，可逆固态氢存储材料可以是NaAlH4或包含Mg(NH2)2和LiH的复合材料。 [0066] 不可逆固态氢存储材料的含量相对于可逆固态氢存储材料和不可逆固态氢存储材料的共计100wt％可在0wt％至33.2wt％的范围中。当存在不可逆固态氢存储材料时，可使用在其水解反应中释放的热和氢。如果不可逆固态氢存储材料的含量过高，则热释放量变得大于装置所需的总热量。因此，可能需要冷却，由此降低热效率。 [0067] 图3是示出根据本公开的另一示例性实施方式的固态氢存储装置的示意图。图4是示出根据本公开的另一示例性实施方式的固态氢存储装置中的氢存储单元的示意图。图5是示出根据传统技术的不可逆固态氢存储材料存储单元的示意图。图6是示出根据本公开的一示例性实施方式的不可逆固态氢存储材料存储单元的示意图。现在将参考图3至图6描述根据本示例性实施方式的固态氢存储装置。 [0068] 根据本示例性实施方式，固态氢存储装置可包括：第一存储器1，被构造为存储可逆固态氢存储材料；反应器2，布置在第一存储器中以便能够在其中进行不可逆固态氢存储材料的水解反应；燃料电池堆3；以及第二存储单元5，被构造为在其中存储有不可逆固态氢存储材料且连接至反应器。 [0069] 然而，在第一存储器1和第二存储单元5中，除了可逆固态氢存储材料和不可逆固态氢存储材料以外还可存储其他材料。 [0070] 不同于根据本公开的上述示例性实施方式的固态氢存储装置，在该固态氢存储装置中，在反应器2中未存储不可逆固态氢存储材料。通过该构造，能够通过在可逆氢存储材料的存储单元中唯一地包括不可逆材料的水解反应器而将可逆氢存储材料和存储空间彼此分开，由此改进替换便利性。此外，能够通过使用在不可逆氢存储材料的水解反应中释放的热和氢来促进系统效率改进和有效控制。 [0071] 第二存储单元5可包括：第一单位存储单元6，被构造为存储不可逆固态氢存储材料；以及第二单位存储单元7，被构造为存储在不可逆固态氢存储材料的水解反应之后生成的氧化物。 [0072] 本文中，如图6所示，第一单位存储单元6和第二单位存储单元7中的每一个可包括可单独替换的两个以上的单位存储单元。 [0073] 图5是示出根据传统技术的不可逆固态氢存储材料存储单元的示意图。在图5所示的传统不可逆固态氢存储材料存储单元中，当氢被再填充时，可能需要替换所有不可逆材料。因此，可能难以将这种不可逆氢存储材料应用至车辆。 [0074] 图6是示出根据本公开的一示例性实施方式的不可逆固态氢存储材料存储单元的示意图，并且不可逆固态氢存储材料的存储单元可形成为具有包括多个单位存储单元的墨盒形式。因此，通过调整可逆固态氢存储材料与不可逆高容量材料的重量比，足以容易地替换不可逆材料的内容物可包含在每个单位存储单元中，由此促进替换。因此，可改进装置的重量存储效率、热效率以及替换便利性。因此，能够使用有利于车辆装载的固态氢存储装置。 [0075] 根据本公开的另一示例性实施方式，固态氢存储装置可进一步包括第一供应管8，该第一供应管被构造为具有连接至第一单位存储单元6中的每一个的第一侧以及连接至反应器2的第二侧，以便将不可逆固态氢存储材料供应至反应器2。固态氢存储装置可进一步包括第二供应管9，该第二供应管被构造为具有连接至第一供应管8的第一侧以及连接至燃料电池堆3的第二侧，以便将水供应至第一供应管8。固态氢存储装置可进一步包括气体/溶液分离器10，该气体/溶液分离器连接至反应器2以便将在反应器2中所包含的不可逆固态氢存储材料的水解反应中生成的氢气与氧化物分开。此外，固态氢存储装置可进一步包括第三供应管11，该第三供应管被构造为具有连接至反应器2的第一侧以及连接至气体/溶液分离器10的第二侧，以便将在反应器2中所包含的不可逆固态氢存储材料的水解反应中生成的氢气和氧化物供应至气体/溶液分离器10。此外，固态氢存储装置还可包括第四供应管12，该第四供应管被构造为具有连接至气体/溶液分离器10的第一侧以及连接至第二单位存储单元7的第二侧，以便将来自气体/溶液分离器10的氧化物供应至第二单位存储单元7。 [0076] 不可逆固态氢存储材料可用来在水解过程中释放热。 [0077] 如上所述，可用作氢燃料源的金属氢化物在氢气释放和存储反应的可逆性方面是优异的。然而，金属氢化物在大约100℃的高温下操作并且需要持续的热供应以用于氢释放。这些问题已变成其实际应用的最大障碍。 [0078] 在根据本示例性实施方式的固态氢存储装置中，在反应器中所包含的不可逆固态氢存储材料的水解反应中生成的热可直接传递至被构造为存储可逆氢存储材料的存储单元。因此，当车辆最初起动时，其中存储有金属氢化物的存储单元可被快速加热，由此改进起动性能。此外，能够通过使用在不可逆氢存储材料的水解中生成的热来降低热交换器的大量热消耗，由此改进热效率。 [0079] 因此，可改进装置的重量存储效率、热效率以及替换便利性。因此，能够提供有利于车辆装载的固态氢存储装置。 [0080] 包括根据本公开的一示例性实施方式的不可逆氢化物的水解反应的操作顺序可以如下。首先，可将不可逆氢存储材料以单一状态或与适当的溶剂一起以溶液状态存储在第二存储单元5中。然而，不可逆氢存储材料可以各种适当的形式存储以实现本公开的目标，且不限于此。可将催化剂存储在反应器2中以促进不可逆固态氢存储材料的水解反应。 [0081] 可将存储在第二存储单元5的第一单位存储单元6中的不可逆氢存储材料供应至第一供应管8。在这种情况下，在第一供应管8中，不可逆氢存储材料可与从第二供应管9供应的水混合。然后，可将混合物通过第一供应管8供应至反应器2，并且接触包含在反应器2中的催化剂。因此，可进行水解反应，由此释放热。该热可传递至可逆氢存储材料，并且因此氢可从可逆氢存储材料释放。然后，可将在水解反应之后生成的氢气和氧化物或氧化物溶液通过第三供应管11传递至气体/溶液分离器10。本文中，氢气和氧化物可彼此分开，并且氢气可通过附加管道供应至燃料电池堆3。可将诸如包含氧化物的氧化物溶液的材料通过第四供应管12传递至被包括在第二单位存储单元7中的存储单元5。 [0082] 本文中，第一单位存储单元6和第二单位存储单元7中的每一个可划分为多个单位存储单元以用于容易替换。例如，如果供应包含在第一单位存储单元6中的所有不可逆氢存储材料，则轻量单位存储单元可逐个移除并替换。此外，如果氧化物被完全填充在第二单位存储单元7中，则该单位存储单元可逐个移除并替换。此外，在第一存储器1的主要金属氢化物罐中填充氢时，能够进行容易替换。 [0083] 该操作顺序仅是实例，并且本公开不限于此。 [0084] 当通过水解反应释放氢时，不可逆固态氢存储材料可以是在-40℃至100℃的可操作温度范围下操作的且相对于总材料重量具有5wt％或更大的重量存储能力的氢存储材料。在这种情况下，由水解反应引起的摩尔热值可高于由可逆固态氢存储材料的氢释放引起的热吸收的摩尔量，由此促进有效热供应。其具体实例可包括复合金属氢化物、化学氢化物以及通过结合其两种以上而获得的复合材料。 [0085] 例如，不可逆固态氢存储材料可以是M1BH4、M2(BH4)2、M3(BH4)3、AlH3、NH3BH3、NH4B3H8、NH2B2H5、NaBP2H8或其组合。然而，不可逆固态氢存储材料可以是具有上述特性的任意材料，且不限于此。 [0086] (M1表示Li、Na或K，M2表示Mg或Ca，并且M3表示Al或Ti。) [0087] 例如，不可逆固态氢存储材料可以是NaBH4、NH3BH3或其组合。 [0088] 不可逆固态氢存储材料可以是在-40℃至100℃的可操作温度范围下操作的且相对于总材料重量具有2wt％或更大的重量存储能力的氢存储材料。其具体实例可包括络合金属氢化物、金属氢化物、储氢合金以及通过结合其两种以上而获得的复合材料。 [0089] 例如，可逆固态氢存储材料可以是M4AlH4、M5(AlH4)2、M6NH2、M7(NH2)2、Li2NH、MgNH、锂镁酰胺、锂镁酰亚胺、M8H、M9H2、Ti-Cr-V合金、TiFe、Pd-M10、Li-M11、Mg-Co合金、La-Ni合金或其组合。然而，可逆固态氢存储材料可以是具有上述特性的任意材料，且不限于此。 [0090] (M4表示Li、Na或Al，M5表示Mg或Ca，M6表示Li或Na，M7表示Mg或Ca，M8表示Li、Na、K、Rb或Cs，M9表示Mg、Ca、Sc、Ti或V，M10表示Ba、Y或La，并且M11表示Ti、V、Zr、Nb或Hf。)[0091] 例如，可逆固态氢存储材料可以是NaAlH4或包含Mg(NH2)2和LiH的复合材料。 [0092] 不可逆固态氢存储材料的含量相对于可逆固态氢存储材料和不可逆固态氢存储材料的共计100wt％可在0wt％至33.2wt％的范围中。当存在不可逆固态氢存储材料时，可使用在其水解反应中或在其水解反应期间释放的热和氢。如果不可逆固态氢存储材料的含量过高，则热释放量变得大于装置所需的总热量。因此，可能需要冷却，由此降低热效率。 [0093] 以下实例更详细地示出本公开。然而，以下实例仅是示例性实例，并且本公开不限于此。 [0094] 实例 [0095] NaAlH4用作可逆氢存储材料，并且NaBH4用作不可逆氢存储材料。如表1所示，可看出，通过一起使用可逆氢存储材料和高容量不可逆氢存储材料而显著改进重量存储效率。此外，可看出，由于在不可逆氢存储材料的水解中生成的热量，当在可逆氢存储材料中以 2g/s释放氢时，另外需要的热量显著降低。 [0096] 然而，当不可逆氢存储材料相对于共计100wt％超过33.2wt％时，作为水解结果的加热值大于氢释放所需的热量。因此，另外需要冷却。 [0097] (表1) [0098] |
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