CN101448979A - 能量的储存和运输 - Google Patents

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Abstract

本文中，使用来自第一能源的能量在第一地点处从水中释放出氢气；将所释放的氢气储存在金属氢化物浆液中；并且将所述金属氢化物浆液运输到与所述第一地点相距较远的第二地点。

Description

能量的储存和运输
技术领域
本发明关于能量的储存和运输。
背景技术
举例来说，通过对电解过程施加电将水中的氢与氧解离，可以将电形式的能量以氢形式储存。通过使用热转化过程将水中的氢与氧解离，也可以将热形式的能量以氢形式储存。
通过将氢并入金属氢化物中可以安全并容易地运输氢。随后，可以通过将水与金属氢化物混合来释放出氢气，并将其用于向汽车等提供能量。
发明内容
在一方面中，提供方法，其包括使用电或热产生氢气，并将所述氢气与可泵送流体合并以形成可泵送储氢流体。所述可泵送储氢流体在室温和室压下不会显著放出氢气。
在一方面中，提供方法，其包括使用来自第一能源的能量在第一地点处从水中释放出氢气，将所释放的氢气储存在金属氢化物浆液中，并且将所述金属氢化物浆液运输到与所述第一地点相距较远的第二地点。
在一方面中，提供系统，其包括：电解槽，其用以在第一地点处使用来自第一能源的能量从水中提取氢气；和充氢设备，其与所述电解槽连接。所述充氢设备具有浆液入口、浆液出口和能够将充氢设备中的浆液加热到至少约320℃的加热设备。
在一方面中，提供系统，其包括：电解槽，其包括电接头；和氢化物浆液充氢设备，其与所述电解槽连接。
在一方面中，提供系统，其包括：第一设备，其使用来自第一能源的电来产生氢气；金属氢化物浆液充氢设备，其与所述第一设备连接；金属氢化物浆液储存容器，其与所述金属氢化物浆液充氢设备连接；和泵，其用以将所述金属氢化物浆液充氢设备中的浆液泵送到所述金属氢化物浆液储存容器中。
具体实施可能包括下面一或多种。
在一些实施例中，可泵送惰性流体包含可逆氢化物形成物。在一些实施例中，可逆氢化物形成物包括可逆金属氢化物形成物(例如镁)和/或可逆金属合金氢化物形成物。
在一些实施例中，所述方法进一步包括从金属氢化物浆液中释放出氢气以形成氢气和至少部分耗尽的金属氢化物浆液。
在一些实施例中，所述方法包括将部分耗尽的金属氢化物浆液从第二地点运输到第一地点，例如以对部分耗尽的金属氢化物浆液再充氢。例如，在一些情况下可通过在第一地点处使用来自第一能源的能量从水中释放出能量并且将所释放的氢气储存在耗尽的金属氢化物浆液中以形成金属氢化物浆液，而对部分耗尽的金属氢化物浆液再充氢。在一些实施例中，金属氢化物浆液可以经历耗尽与再充氢达至少50个周期。
在一些实施例中，第一能源可包括可再生能源(例如，风能、水电能、地热能、海洋能、太阳能和/或这些能源的组合)。第一能源在一些实施例中可用于从水中释放出氢气，并且可在第一地点处将氢气储存在金属氢化物浆液中。在一些实施例中，可通过运载工具(例如，轨道车、卡车、油罐车、管道和这些运载工具的任何组合)将金属氢化物浆液从第一地点运输到第二地点。在一些实施例中，从金属氢化物浆液中释放出的氢气(例如，在第二地点处)可以用作能源(例如，在燃料电池中)。以这种方式，来自第一能源的能量可以被有效地储存并运输到第二地点。在一些实施例中，第一地点具有第一能量需求，第二地点具有第二能量需求，并且所述第一能量需求低于所述第二能量需求。
在一些实施例中，金属氢化物浆液包含镁、氢化镁和矿物油。在一些实施例中，金属氢化物浆液进一步包含分散剂。
在一些实施例中，所述系统能够保持至少约150psia的充氢设备压力。在一些实施例中，充氢设备包含泵，用以通过浆液出口泵送充氢设备中的浆液，例如，泵送到与所述充氢设备浆液出口连接的储存容器。在一些实施例中，充氢设备包括调节器，用以将充氢设备中所包含的浆液的温度保持在不大于约350℃下。
在一些实施例中，系统包括放氢设备，放氢设备包括能够将所述放氢设备中所包含的氢化物浆液加热到至少约370℃的加热设备。在一些实施例中，放氢设备包括氢气出口，从氢化物浆液中放出的氢气可通过所述出口。
在一些实施例中，系统的第一设备包括电解槽。
在一些实施例中，系统包括与储存容器连接的泵，用以将金属氢化物浆液储存容器中的浆液转移到浆液运载工具(例如，卡车、小船、轨道车、管道或这些运载工具的任何组合)上。
在一些实施例中，系统包括金属氢化物浆液放氢设备，其从金属氢化物浆液中移出氢。
一般来说，其它方面包括表示为方法、装置、系统、程序产品和其它方式的上述单独的和其它组合形式的特征和方面。
这些和其它特征与方面的优点包括下述的一个或多个。
能量可以在易于获得能量(例如，从风和/或太阳获得)，但对能量的需求相对较低的地方以氢形式储存，并且运输到能量需求较高的地方。
根据具体实施方式和权利要求书，将明显认识到其它特征和优点。
附图说明
图1是储存和运输能量的示意图。
图2是金属氢化物充氢设备的示意图。
图3是金属氢化物放氢设备的示意图。
图4是金属氢化物浆液充氢与放氢的温度和压力与时间关系的曲线图。
具体实施方式
大体而言，提供以氢形式储存和/或运输能量的系统和方法。举例来说，可通过将氢并入可逆金属氢化物浆液中来储存氢形式的能量，视浆液所经受的条件(例如，热和/或压力)而定，所述金属氢化物浆液是一种包括可以可逆方式接受氢原子(可氢化)并且可放出氢原子(可脱氢)的组分(例如，金属或金属合金)的浆液。通常，对于包括可逆氢化组分的浆液而言，在大量(例如，80％或更多)的可氢化组分被氢化时，可将其描述为“充氢的(charged)”；在大量(例如，80％或更多)的可氢化组分未被氢化时，可将其描述为“耗尽的(depleted)”；或者在浆液含有氢化组分与未氢化组分时，可将其描述为“部分充氢的”，其中所存在的氢化组分的量通常占可氢化组分总量的约20％与80％之间。通常在充氢时可氢化组分量的85％到95％被氢化而在耗尽时5％到15％被氢化。在可接受的最差情况下，可能在充氢时至少70％被氢化而在耗尽时为5％。一般来说，“充氢”浆液可包括一定含量的未被氢化的可氢化组分，而“耗尽”浆液可包括一定含量的被氢化的可氢化组分。在决定将浆液视作充氢的还是耗尽的时，可考虑商业因素；例如，当浆液具有足够的氢化物质从而在其经受放氢时从所述氢提供所要求量的能量时，可将浆液视作“充氢的”。在决定何时对浆液充氢时，可考虑以下因素：例如，氢化浆液的成本和时间，浆液到放氢地点的运输成本，和在放氢地点处替代能源的成本。
在图1中所示的储存和运输能量10的实例中，将在第一地点12(在这种情况下是堪萨斯州(Kansas)的风车农场)处可得的能量储存在安全、易于处理的、可运输到第二地点(在这种情况下是纽约(New York))的介质(在这种情况下是可再充氢金属氢化物浆液中的氢)中，在第二地点处能量被使用，例如用于能够作为燃料来燃烧氢气的汽车中。
在第一地点12处，风引起风车15的转子19旋转，驱动发电机17发电。电通过电缆16传送到电解槽20的电接头18上。所述电解槽是充能系统(energy charging system)13的一部分，所述充能系统13也包括充氢设备30。
使用电，电解槽20将水分离为氢气23和氧气25。水通过管道22从水源21提供。氢气23通过氢气出口24和管道26进入充氢设备30中。氧气25通过氧气出口28从电解槽20中排出，在氧气出口28处可收集氧气来进一步使用或排放到大气中。
在一些实例中，电解槽20在压力(例如，至少约50psia[磅/平方英寸(绝对压力)])下将氢气23泵送到充氢设备30中并且将充氢设备的内含物保持在压力下。压力可在约100psia或更大、150psia或更大、200psia或更大、250psia或更大、500psia或更大、1000psia或更大、或1500psia或更大的范围内。压力水平根据充氢设备承受压力和处理由反应产生的热量的能力来设定。金属氢化物与氢气之间的反应将产生热量和充氢的金属氢化物。耗尽的金属氢化物与氢气的反应速率通常随着压力升高而加快。最佳系统可使用在使系统成本最小的情况下最大化系统生产率的氢气压力。较高的生产率通常将需要较小并且可能较廉价的充氢设备。另一方面，快速的反应速率可能会产生太多的热量以致排热系统(heat removal system)成本变高。最佳系统可平衡所述成本从而产生最小成本设计。金属氢化物呈浆液形式的一个优点在于可通过搅拌浆液来辅助传热。
在一些实例(图1中未说明)中，将氢气23收集在氢气罐中，在那里将氢气加压，随后将其传递到充氢设备30中。举例来说，如果将氢气加压到某一特定压力的成本小于使用在所述压力下操作的电解设备的成本，或者如果氢源所处的压力比充氢设备所需的压力低，那么加压氢气罐就可以提供必要压力下的氢气。
除氢气外，加压充氢设备30接收耗尽的可逆金属氢化物浆液34的液流。耗尽的可逆金属氢化物浆液可以是尚未被氢化的浆液(例如，新形成的浆液)和/或是已至少部分脱氢的浆液。下文更详细描述各情况。耗尽的可逆金属氢化物浆液(有时简称为耗尽浆液、金属氢化物浆液或浆液)包括金属氢化物与呈能够接受其它氢而形成金属氢化物的形式的元素金属。浆液中金属氢化物与元素金属的比例可以是1.2重量％或更大。
耗尽的金属氢化物浆液中可包括其它组分，例如，载剂液体(carrier liquid)(例如有机载剂)和/或用于稳定浆液的分散剂(例如甘油三酯或聚丙烯酸(约1％)或油酸(约0.125％))。耗尽浆液由泵40通过管道42从耗尽的可逆金属氢化物浆液源(例如，耗尽的金属氢化物浆液储存设备46)吸取并通过耗尽的金属氢化物浆液入口31压入充氢设备30中。
随后使用加热线圈36加热加压充氢设备30中的浆液。当浆液被加热时，浆液中的金属氢化物能够进一步充入氢气23，由此金属氢化物浆液中呈金属氢化物形式的氢的量增加。对于氢化镁来说，在氢化物的温度高于约280℃之前，反应速率都极低，因此将氢化镁加热至此温度可加快初始反应。随后速率通常变快，并且可降低温度和/或压力以控制反应速率。通过这个过程，耗尽的金属氢化物浆液变成充氢的金属氢化物浆液38，如下所述。视浆液中所用的金属氢化物而定，为进行充氢将加压浆液加热到的温度可在宽泛范围内，例如，在约50℃到约350℃的范围内。对于氢化镁来说，充氢范围是约250℃到约400℃(例如，约260℃到约300℃)。优选的温度范围通常将视氢气与耗尽金属氢化物之间的反应速率而定。
通常，用于氢化浆液的温度和压力将相互依赖，并且将视浆液中所用的金属类型而定。举例来说，氢化镁需要相对较高的温度和压力从而在可接受的速率下氢化浆液；在1大气压下氢化镁的平衡温度是279℃。其它金属氢化物通常可在较低温度和/或压力下达到类似的反应速率。
在充氢后，将充氢的可逆金属氢化物浆液38冷却，例如，冷却到室温。冷却后的充氢的金属氢化物浆液38在其温度保持在冷却范围内的情况下不释放显著量的氢气，并因此可安全储存和/或运输。氢气的“显著量”是指大到足以显著影响放氢地点处可用的能量或使用浆液作为能源的成本效益(cost-effectiveness)的量，或者是足以造成储存和/或运输困难(例如，因产生氢气而引起的压力增大所造成的储存和/或运输困难)的量。举例来说，在一些实施例中，冷却后的充氢的金属氢化物浆液释放不大于其总氢的约1％(例如，不大于其总氢的约10％、不大于约1％或不大于约0.1％)。在一些情况下，认为氢释放量将小于(甚至大大小于)0.1％。充氢的金属氢化物浆液不释放显著量的氢的可用温度范围视浆液中所用的金属氢化物而定。对于氢化镁来说，在低于约200℃(例如，低于约100℃、低于约80℃、低于约60℃或低于约40℃)的温度下，浆液将不产生显著量的氢。其它可逆氢化物通常应保持更低温度。
一旦浆液被充氢，泵48就从充氢的金属氢化物浆液出口37通过管道50将充氢浆液38泵送到充氢浆液储存设备52中，在那里充氢的金属氢化物浆液可长期储存。充氢浆液储存设备52具有出口56，从而使浆液可以通过泵58被抽入浆液运载工具60(此处是油罐卡车)中。浆液运载工具60可以是能够长途搬运流体的任何运载工具，例如机动车辆、轨道车、轮船、驳船和管道或其它导管。运载工具可以是用于运输汽油的那一类的卡车。泵58可以是从单个分配器来供应卡车的加油站(service station)的一部分或者是可以用于供应具有多个分配器的卡车。
浆液运载工具60将充氢的金属氢化物浆液38(包括以氢形式储存在氢化物中的能量)从第一地点12运输到第二地点62。
在第二地点处，所运输浆液的卸载台包括管道76，泵73通过管道76将浆液从运输设备中抽出并将其泵送到充氢浆液储罐75中。当需要氢气时，利用泵74将充氢浆液从充氢浆液储罐75中通过管道77泵送到浆液入口72处并进入放氢设备70中。
放氢设备含有加热器78(例如，加热线圈)用以将浆液加热到浆液的金属氢化物释放氢气的温度。加热温度取决于浆液中金属氢化物的放氢特性。对于氢化镁来说，加热温度是约250℃到约400℃(例如，约290℃到约370℃或约320℃和360℃)。其它氢化物可具有不同的释放氢气的温度。通常，温度将至少是约150℃(例如，至少约80℃、至少约100℃、至少约125℃、至少约175℃、至少约200℃、至少约225℃、至少约250℃、至少约275℃、至少约300℃、至少约325℃、至少约350℃、至少约375℃或至少约390℃)和/或至多约400℃(例如，至多约390℃、至多约375℃、至多约350℃、至多约325℃、至多约300℃、至多约275℃、至多约250℃、至多约225℃、至多约200℃或至多约175℃)。
放氢设备通常将在由金属氢化物的放氢特性和系统经济性所决定的压力下进行操作。对于氢化镁来说，在接近大气压或更低的压力下出现最高放氢速率。然而，如果提供压力在30psia到100psia的范围内的氢气，那么氢气压缩机通常花费较小。在这种情况下，可在30psia到100psia的范围内操作放氢设备以降低氢气压缩机的成本。通常将选择所述的压力范围以将系统的成本降到最低。举例来说，如果氢气是供燃料电池消耗，那么所需的压力可能仅为16psia到20psia。在这种情况下，放氢设备将可能在16psia到20psia的压力下进行操作从而消除对氢气压缩机的需要。
放氢设备被设计成隔绝空气和水，特别是氧气和水。充氢设备也被设计成隔绝空气和水，因为这些物质会与金属氢化物反应并阻止其吸收或解吸氢气。
随着充氢的金属氢化物浆液38被加热并且氢气23被放出，浆液变成耗尽的金属氢化物浆液34(一种包括小于显著量的氢的金属氢化物浆液，例如，因为一些氢已从浆液中放出或者因为浆液是新形成的并且尚未被氢化)。用泵84通过气体出口80将耗尽的可逆浆液抽入浆液运载工具60(例如，其可为运载充氢浆液所用的同一卡车)中用于运输回第一地点12(或另一再充氢设施)进行再充氢。
将从充氢的金属氢化物浆液38中放出的氢气23通过气体出口80排出并收集，例如装于氢气瓶90中。瓶装氢气随后可被用作能源，从而有效地将来自(例如)堪萨斯州的风力农场的能量运输到(例如)能量需求高于堪萨斯州的纽约。例如，瓶装氢气可用于驱动车辆中的燃料电池。举例来说，氢气可在加油站从瓶中被放出而进入车辆的燃料电池中，或者瓶自身可置于车辆中并可渐进地注入车辆的燃料电池中。氢气可以气体或液体形式装瓶。在一些情况下，氢气可被用于能源以外的用途。举例来说，氢气可在实验室研究中用作气相色谱的载气，用作需要氢的化学反应中的反应物，或用作焊接气体(例如，代替乙炔)。
在一些实施例中，可再充氢的金属氢化物浆液可直接用作车辆的能源，而并非用作瓶装氢气源。例如，可将可再充氢的金属氢化物浆液直接泵送到车辆中，例如，泵送到车辆的储罐中。车辆可具有位于车辆内的放氢设备，用于放出氢气来用作车辆的燃料源。在一些实施例中，车辆也可以具有充氢设备，使得可再充氢的金属氢化物浆液能够在车辆自身内进行再充氢。可将来自氢源的氢气泵送到车辆的充氢设备中用以将浆液氢化。
在一些实施例中，可逆的金属氢化物浆液最初可在第一地点12处形成，例如，在充氢设备30中。为此，可用泵104从惰性液体槽100中通过惰性液体管道102抽取惰性液体(例如，矿物油)105并进入充氢设备36中。也包括储存容器106，用于储存金属氢化物形成物107，例如呈粉末形式的元素金属。所述储存容器106通过导管与充氢设备30连接用于向充氢设备30中转移。或者，储存容器106和惰性液体设备100中的一个或两个都可与充氢设备拆开；随后可用手将惰性液体105和/或氢化物形成物107加入充氢设备30中。可将其它浆液组分(例如，分散剂和/或氢化催化剂)储存并加入充氢设备30中以形成浆液。氢化物形成物107、惰性液体105和可选的其它成分可在充氢设备30中合并而形成初始的耗尽浆液34。
在一些实例中，可逆的金属氢化物浆液最初可在另一地点形成并用卡车运输到第一地点12以供使用。
尽管图1中仅显示具有一台充氢设备的一个第一地点和具有一台放氢设备的一个第二地点，但第一地点可包括多台充氢设备，第二地点可包括多台放氢设备，并且可存在多个第一地点和第二地点，从而形成在一些地点获得并在其它地点使用的能量的分配网络。
在一些实例中，浆液通常包括载剂液体(例如有机载剂)、用于稳定浆液的分散剂(例如甘油三酯)和分散在载剂液体中的可逆的金属氢化物和/或可逆的金属氢化物形成物(即呈元素形式的金属氢化物的金属和/或合金)。浆液中氢化物和/或氢化物形成物的浓度通常在40重量％到80重量％的范围内(例如，50重量％到70重量％或55重量％-60重量％)。浓度通常取决于经选择用于浆液中的金属氢化物。使用密度较大的金属氢化物将比使用密度较小的金属氢化物产生更高的金属氢化物浓度。密度较大的金属氢化物是密度为至少约1克/毫升的金属氢化物，并且包括例如，五镍化镧(lanthanumpenta-nickel)，而密度较小的金属氢化物具有不大于约1克/毫升的密度，并且包括例如，氢化锂。氢化镁浆液可具有至少约50重量％(例如，至少约55重量％、至少约60重量％、至少约65重量％、至少约70重量％或至少约75重量％)和/或至多约80重量％(例如，至多约75重量％、至多约70重量％、至多约65重量％、至多约60重量％或至多约55重量％)的氢化物浓度。通常，较高百分比产生较高能量密度(即可从给定体积的浆液获得的能量的量)，同时通常较粘稠并且需要较大的力来泵送，而较低百分比通常粘度较小，需要较小的力来泵送，但产生较低能量密度。
所述浆液可安全储存和运输，并且所述氢可易于提取以用作燃料。浆液通常不是高度可燃的或易燃的并且可安全处理、储存和运输。浆液在正常环境温度和压力下稳定，例如，使得氢不会从氢化物中离解并放出。因为是液体，所以浆液可易于通过导管泵送并进入储罐、运输设备和/或充氢与放氢设备中。
浆液包括载剂液体，例如悬浮有金属氢化物和/或可逆的金属氢化物形成物的惰性液体。“惰性液体”包括在其使用温度和压力下不与H2或金属氢化物和/或可逆的金属氢化物形成物发生化学反应，并且就将H2分子离解为原子或防止原子重组为H2分子的催化能力来说，不会钝化氢化物或氢化物形成物的表面的液体。惰性液体能够溶解可测量的量的氢。
在一些实例中载剂液体是有机载剂液体，例如矿物油或低分子量烃，例如烷烃(例如，戊烷或己烷)。其它载剂液体可包括氟化烃(例如全氟癸烷)、基于聚硅氧的(siliconebased)溶剂、饱和有机液体(例如十一烷、异辛烷、辛烷和环己烷)或高沸点烃的混合物(例如煤油)，和其混合物。
在一些实例中，惰性载剂液体是无毒性的轻矿物油，其显示在约154℃到约177℃的范围内的高闪点和在约42赛氏通用秒(Saybolt Universal seconds；S.U.s.)到约59 S.U.s.的范围内的粘度。矿物油不与金属氢化物发生化学反应，产生相对较低的蒸气压，并且在约-40℃到200℃的温度范围内保持液态。载剂液体使得浆液可泵送并且作为安全液体，易于储存或运输。载剂可充当氢化物与大气中的水之间的屏障，减少两者形成氢氧化物的反应，所述反应会降低浆液储存和释放氢气的能力。使用浆液使得易于加燃料，如通过注满储罐。其它载剂也可起作用，包括不具有水键(water bond)并且优选不具有OH键的载剂。基于聚硅氧的载剂也可对浆液发挥作用。
在一些情况下，浆液包括分散剂。例如，分散剂可以是甘油三酯分散剂，其使浆液空间上稳定。例如，甘油三酯分散剂可以是油酸的甘油三酯或三油精(triolein)。可使用的其它分散剂包括聚合物分散剂，例如海泊姆(Hypermer)TMLP1。分散剂可以是聚合物分散剂。也可以使用甘油三酯与聚合物分散剂的组合，并且如果氢化物是氢化镁，那么组合可能尤其适用。其它分散剂包括油酸、聚丙烯酸和十六烷基三甲基溴化铵(hexadecyltrimethylammonium bromide，CTAB)。在一些情况下分散剂可以至少约0.05％(例如，至少约0.1％、至少约0.5％、至少约0.75％、至少约1.0％、至少约1.5％、至少约2.0％、至少约2.5％、至少约3.0％或至少约3.5％)和/或至多约4.0％(例如，至多约3.5％、至多约3.0％、至多约2.5％、至多约2.0％、至多约1.5％、至多约1.0％、至多约0.75％、至多约0.5％或至多约0.1％)的浓度存在。举例来说，包括氢化镁、轻矿物油和0.0625％CTAB与1％聚丙烯酸的混合物的掺合物形成稳定的浆液。CTAB使得浆液更加可流动而聚丙烯酸有助于将氢化镁粒子保持在悬浮状态。分散剂的一个功能在于附着在氢化物粒子上，增大粒子在载剂流体中的阻力，从而有助于阻止沉降。分散剂也有助于防止粒子聚结。分散剂促进浆液的形成和氢化物在矿物油中的稳定。在某些实施例中分散剂也可具有表面活性剂性质，这也可以对浆液的形成有用。
金属氢化物通常是可逆的金属氢化物，例如可逆的金属或金属合金氢化物。可逆的氢化物形成物(例如可逆的金属氢化物形成物)是能够与氢气可逆地反应以形成氢化物(即通常视浆液所经受的条件而定，能够可逆地从氢化形式变为非氢化形式)的任何物质(例如，任何金属或合金)。反应(简化形式)包括使气态氢与氢化物形成物接触。在金属氢化物形成物的情况下，这个反应可表示如下：
M+x/2H2←→MHx
其中M是金属氢化物形成物而X是最终氢化产物中氢原子的数目。这个反应有时被描述为吸附过程，而非键结过程。
反应方向由氢气压力和/或反应温度决定。在利用氢化镁的一些实例中，金属的氢化需要约250℃到约400℃(例如，约280℃到约350℃或约290℃到约320℃)的温度，而约280℃到约400℃(例如，约300℃到约380℃、约320℃到约360℃或约310℃到约340℃)的温度导致金属的脱氢。其它氢化物可在显著更低的温度和压力下操作，例如吸收和解吸温度为不大于约250℃(例如，不大于约225℃、不大于约200℃、不大于约175℃、不大于约150℃、不大于约125℃、不大于约100℃或不大于约80℃)。在某些实施例中，合金和/或氢化物的混合物可改善动力学与使用温度范围。下文提供其实例。通常，对于金属的氢化来说，氢气压力增大引起氢化反应(hydriding reaction)加快和/或氢化所需的温度降低。在一些情况下，氢气压力是至少约15psia(例如，至少约50psia、至少约100psia、至少约150psia、至少约200psia或至少约250psia)和/或至多约300psia(例如，至多约250psia、至多约200psia、至多约150psia、至多约100psia或至多约50psia)。压力通常将部分取决于温度(反之亦然)。举例来说，尽管氢化镁浆液在300℃下在150psia的压力下产生相对快速的氢气吸收，但较低温度也可能提供较快反应。
通常，希望反应快速以降低成本。然而，在吸收期间产生热量并应将其从系统中排出。高的热量释放速率可能潜在地分解浆液中的油。在某些实施例中，可使用温度与压力参数的组合来控制反应方向和速度，并因此控制所产生的热量。举例来说，压力初始可相对较低，而随后可随着过程进行而增大。
因为氢化反应(hydride reaction)是可逆的，所以氢化物形成物的浆液可用于重复运输氢形式的能量，多次充氢和放氢(例如，至少约5次、至少约10次、至少约20次、至少约25次、至少约50次、至少约75次、至少约100次、至少约125次、至少约150次、至少约250次、至少约500次、至少约1000次或至少约2000次)。通常，充氢/放氢周期数越大，那么系统的成本效益越高。举例来说，在大规模程度下，以不可逆方式使用的化学氢化物浆液(例如，其中氢气是通过将金属氢化物与水混合以形成氢气和金属氢氧化物而放出；这在2002年11月14日提出申请的名称为“氢气的储存、制备和使用(Storage，Generation，and Use of hydrogen)”的美国申请案第10/044,813号中被揭示，并且所述申请案以引用的方式并入本文中)应能够以每千克氢气约4美元的成本来传递氢。如果可逆的氢化镁浆液仅在传递点运载一半氢，那么单次使用的氢气的成本将是每千克氢气约8美元。然而，如果可逆的氢化镁浆液可循环100次，那么氢气的成本将降低到大约浆液中所用氢的成本和浆液的运输成本(例如，每千克$1.65+$0.10+$8/100＝$1.83)。可逆系统中氢化物浆液的任何再使用都将降低氢气的成本。在某些实例中，对浆液可充氢和放氢的次数的一个限制因素是化学氢化物形成物的氧化物或氢氧化物形式的缓慢形成(例如，由暴露于大气水分或空气所造成的)。另一个可能限制金属氢化物浆液寿命的问题可能是对油和分散剂的破坏。这些问题可能影响氢化物浆液每隔多久就要回到工厂中进行回收利用。为了回收利用氢化物浆液，首先将油与固体分离。随后将固体重整为纯金属。随后将金属熔合以形成新鲜的氢化物形成物并使新鲜的氢化物形成物与氢气反应形成新鲜的氢化物浆液。
通常，任何可逆的氢化物形成物都是适合的，包括金属和/或金属合金氢化物形成物，例如镁、钒、FeTi、CaNi5、MgNi2、NaAl或其它金属氢化物形成物(元素金属、金属合金或金属间材料)。金属间氢化物形成物包括LaNi4.5Al.5、LaNi5和TiFe.7Mn.2。金属氢化物形成物包括过渡金属(周期表第IIIA族到第VIIIA族)，包括镧系元素和锕系元素系列。它们都具有较大的储氢能力并且在中等温度和压力下容易释放氢，并且能够在储氢能力很少降低的情况下经历许多次吸收和解吸循环。
已知形成可逆地捕获氢的可逆氢化物的金属和金属合金包括：如美国专利第4,075,312号中所列的钛合金、如美国专利第4,142,300号中所揭示的镧合金，和如美国专利第4,200,623号中所示的其它合金。已知形成金属氢化物的元素金属描述于W.M.缪勒(Mueller)、J.P.布兰克来吉(Blackledge)和G.G.利伯维茨(Libowitz)，“金属氢化物(Metal Hydrides)”，学术出版社(Academic Press)，纽约(N.Y.)，1968年中。这些专利和参考文献都以引用的方式并入本文中。
最初通过将可逆的氢化物形成物和可选的分散剂加入载剂液体中来形成浆液。在与浆液的其它组分混合之前，通常将可逆的氢化物形成物精细研磨。在一些情况下，首先将可逆的氢化物形成物粉末与矿物油和分散剂的混合物合并，随后将其研磨(例如，在粉碎机或研磨机中)以进一步降低粒子的尺寸。在一些情况下，最终粒子在其最小尺度上的尺寸主要为约1微米到约200微米(例如，约1微米到约100微米或约1微米到约50微米)。在一些情况下，在将浆液充氢之前，将少量氢化物(例如，包括待加入浆液中的相同可逆氢化物形成物的氢化物)加入浆液中。在一些实施例中加入氢化物形成物中的氢化物的量是约1％到约50％(例如，约3％到约20％)。最具成本效益的范围通常将视反应速率和氢化物形成物的成本而定。对于氢化镁来说，所述氢化物可充当催化剂，从而增加通过可逆的氢化物形成物形成氢化物的速率，例如，如美国专利5,198,207中所述，所述专利以引用的方式并入本文中。在一些情况下，例如当耗尽浆液是未被充氢并且未曾放氢的浆液时，据假设一些氢化物保留为氢化物形式并提供催化剂功能，而无需加入作为催化剂的化学氢化物。
浆液的实例可具有液体状流动特性，使得能够在浆液的储存和运输中使用现有的液体燃料基础设施(infrastructure)。载剂液体的性质、分散剂的量和氢化物粒子的尺寸都影响浆液的粘度。浆液中的油可使氢化物避免与空气中的水分发生不希望的接触。浆液可充当由放热的充氢反应所产生的热量的耗散路径。分散剂将氢化物粒子保持在悬浮状态。分散剂附着在粒子上并隔开相邻粒子以防止粒子的聚结。
浆液只有在应用(如通过喷灯)并保持高温的情况下才燃烧。在排出热量后，浆液的燃烧停止并且火焰熄灭。
浆液通常能够容纳约3重量％与约6重量％之间的氢。在一些实施例中浆液可吸收高达能吸收的氢的理论量的100％。在某些实施例中浆液可释放约70％到约98％的所吸收氢(例如，约80％到98％或90％到98％的所吸收氢)。剩下的残余氢化物随后可充当将浆液再充氢的催化剂。
充氢设备包括容纳浆液的容器和用于将其中的浆液加热到充氢温度的加热设备(例如，加热线圈、热交换器、加热塞和/或逆流热交换器)。充氢设备也包括氢气入口和视情况用于保持容器内充氢压力的压力调节器。因为充氢反应是放热的，所以充氢设备可能包括排热装置(例如，热泵、热交换器和/或栓塞)用以将进行充氢的浆液保持在所要求的温度范围内。充氢设备也可包括搅拌或混合组件用以在整个浆液中产生更均匀的温度分布并促进氢在整个浆液中的分布。
可向充氢设备供应新鲜产生的浆液、耗尽浆液或两种浆液的组合。
在一些实例中，例如在图1中，充氢设备是逐批(bach-by-batch)进行操作的。将耗尽浆液泵送到设备中，将设备加热并供应氢气，到将浆液充氢时为止。将压力排空，将浆液冷却，并将浆液从设备中泵送(例如，泵送到储罐中)。随后重复所述过程。
在其它实施例中，充氢设备是连续(continuously)操作的，因为浆液是连续泵送、加热、充氢、冷却和移出。
如图2中所示，在连续模式的充氢装置150中，通过泵154将耗尽的金属氢化物浆液152送入第一段管道156中，在其中通过加热线圈158将其加热到充氢温度。在加热后，将耗尽的金属氢化物泵送到压力室(pressure chamber)160中，压力室160具有位于浆液152上方的顶部空间(headspace)161。通过气体入口163将氢气162引入顶部空间161中，在其中氢气162与浆液152的表面153直接接触。氢气162是在足以引发氢化反应(hydride reaction)的压力(假定所选温度)下引入的。结合浆液的流动速率，压力室160具有足够的长度l，以便使浆液在压力室160中的滞后时间(lag time)足以使浆液的充氢实质上完成。随着耗尽的金属氢化物浆液152中的金属被氢化而形成充氢的金属氢化物浆液168，浆液放出热量。可选的热交换器166收集热量并将热量从浆液传递到第一段管道156中，在其中其辅助加热耗尽的金属氢化物浆液。一旦被完全充氢，浆液就离开压力室160并进入第三段管道172中，在其中将其冷却到大约室温，例如通过热交换器166。随后将充氢的金属氢化物浆液泵送出充氢设备150。
在这种配置的变化形式中，可通过以下步骤来开始所述方法：将一些放氢浆液经逆流热交换器并接着经加热器(其将使放氢浆液的温度升高到操作温度，到存在来自离开充氢段的充氢浆液的足够热量为止)泵送而随后进入充氢容积内，在那里氢气将与浆液接触。耗尽氢化物与氢气之间的反应将产生热量，应积极排出部分热量来将浆液温度保持在所要求的反应温度下。在氢化段中几个小时(a couple hours)后，氢化应完成并使充氢的氢化物浆液再回头通过逆流热交换器并进入充氢浆液的单独容器中。通过逆流热交换器一侧的热浆液将使其热量传递给通过逆流热交换器另一侧的冷耗尽浆液。
通常，放氢设备与充氢设备类似。放氢设备通常包括容纳流体的容器和用于将其中的浆液加热到放氢温度的加热设备(例如，加热线圈、热交换器和/或加热塞)。如果利用氢化镁，那么放氢温度可以是至少约280℃(例如，至少约300℃、至少约320℃、至少340℃、至少约350℃、至少约360℃、至少约370℃、至少约380℃或至少约390℃)和/或至多约400℃(例如，至多约390℃、至多约380℃、至多约370℃、至多约360℃、至多约350℃、至多约340℃、至多约320℃或至多约300℃)。其它氢化物可在更低的温度和压力下操作。设备进一步包括用于从容器中释放氢气的氢气出口。放氢设备视情况进一步包括排热装置(例如，热泵、热交换器或绝热的逆流热交换器)用以在浆液被耗尽可释放的氢后来降低浆液的温度。
在一些实例中，例如在图1中，放氢设备是逐批进行操作的。将充氢浆液泵送到设备中并加热，此时从浆液中放出氢气。随后视情况将耗尽浆液冷却并从设备中泵送(例如，泵送到储罐中)。随后重复所述过程。
在一些实例中，将充氢浆液连续泵送到放氢设备中，加热，耗尽，冷却并移出。图3说明连续模式的放氢设备200的实例，其中通过泵204将充氢的金属氢化物浆液202送入第一段管道206中，在其中使用加热线圈208将其加热到解吸温度。在加热后，使充氢的金属氢化物浆液202进入解吸室210中，解吸室210在浆液202的表面203的上方具有顶部空间211。氢气212从充氢浆液202中解吸出来进入顶部空间211中，从此处通过气体出口212将其排出。压力阀214可用于控制顶部空间211内的压力。结合浆液的流动速率，解吸室210管道的长度l’足以使实质上所有可用的氢解吸。浆液(现在是耗尽的金属氢化物浆液216)离开解吸室210并进入第三段管道220中，在其中将其冷却到大约室温，视情况利用热交换器222，所述热交换器222吸收来自耗尽的金属氢化物浆液216的热量并将其施加给进入放氢设备200的充氢的金属氢化物浆液202。随后将耗尽的金属氢化物浆液216泵送出放氢设备200(例如进行储存和/或运输)。
在一些情况下可将压力阀214与冷却系统226连接以冷却氢气212并冷凝已挥发并随氢气212一起排出的任何油228。可将如此冷凝的任何油228再加入耗尽的金属氢化物浆液216中。在一些情况下氢气212可通过过滤器230(例如，木炭过滤器)以去除任何剩余油或者其它杂质。随后可将现已纯化的氢气212′送入进一步处理(例如，装瓶)。或者，可将氢气212′供应给耗氢过程(例如燃料电池或焊接系统)。
通常，使用第一能源来形成或提取被储存在氢化物浆液中的氢。在某些实例中第一能源是在某一特定地点(例如第一地点)易于获得和/或在第二地点不易于获得和/或不易于转移到第二地点的能源。这些能源包括热或电形式的可再生能源，例如风能、地热能、水电能、海洋能(例如，利用海浪、潮汐能量或利用海洋中所储存的热能)、生物能和太阳能。这些能源通常不产生温室气体并且不会面临枯竭。生物质会产生温室气体，但通常不会向大气增加大量的额外温室气体，因为生物质使用温室气体来形成自身。在一些实施例中，核能可用于产生氢气。在其它实施例中，通常用作能源的燃料(例如，煤、石油和/或天然气)可用于产生氢气。氢气可在少量地点产生，在这些地点应注意减少由这些燃料的燃烧而造成的污染。
与化石燃料不同，这些能源中许多种能源自身并不易于以未使用的和/或稳定的形式运输。另外，这些能源中许多种能源处于能量需求较低的地点(例如，人口密度低和/或工业化水平低的地区)。举例来说，如图1中所述，第一地点12(堪萨斯州)具有丰富的可用风能，但与美国其它地区相比能量需求较低。在一些地点，可用能量大于能量需求。可将这种过量能量储存并运输到较高能量需求的地点。
实例1
将50重量％氢化镁与Paratherm NF传热油的混合物置于巴尔高压釜(Parr autoclave)中，在其中使其经受下列实验条件。在图4中可见高压釜的温度和压力与时间的函数的曲线图。
在150psia的压力下用氢气将高压釜净化五次，以将容器中气体的氧含量降低到不大于约2ppm。在每次加压后和在最后加压后将容器中的压力降到大气压。将容器加热到140℃，在此温度下油中的任何水都会与氢化镁反应形成氢气。所产生的压力升高将会使所产生的氢气离开容器并被收集到倒置的填充有水的瓶中；未观测到气泡，说明油中不存在水。
将容器加热到370℃(氢气从氢化镁中解吸的温度)，并看到氢气放出达约2小时，在此期间放出理论上结合于氢化镁中的氢的约80％。在置换瓶中水的倒置瓶中测量所放出的氢气。
随后用150psia的氢气对高压釜加压，同时将温度保持在约370℃。在1.4小时的过程中压力仅降低几psi，说明浆液吸收很少氢气。随后将温度降到约320℃。在此温度下氢气易于被吸收(即易于并入氢化镁中)。将系统在这种条件下保持1.5小时，其中进行一次额外的氢气加压，并随后冷却。
如在图4的曲线图中可见，当最初加热到约370℃时，浆液未放出氢气(由接近0psia的压力所指示)。引入设定量的氢气，由压力在约10000秒时增加到约150psia所指示。在此温度和压力下，浆液不吸收氢气(由压力随时间保持在约150psia下所指示)。一旦温度降低到约320℃的吸收温度，压力就下降，说明氢气被浆液吸收。压力降低速率随时间增大。认为这是最初形成的氢化镁充当催化剂的作用，其加速氢化反应(hydridereaction)并以更快的速度利用氢气。在向系统中加入更多氢气(由在约18000秒时压力的尖峰所指示)后，压力降低速率(指示氢气吸收速率)再次增大，仅在实验结束温度降低时减小。
尽管上述实施例大体涉及在金属氢化物形成或充氢地点处或附近形成氢气，但氢气自身可被储存并运输到金属氢化物充氢地点。举例来说，可将氢气从大规模甲烷水蒸气重整设备运输到遥远的市场(例如，数百英里远的市场)。
其它实施例在所附的权利要求书的范围内。

Claims (30)

1.一种方法，其包含：
使用电或热产生氢气；和
将所述氢气与可泵送流体合并以形成可泵送储氢流体，
所述可泵送储氢流体在室温和室压下不会显著放出氢气。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可泵送惰性流体包含可逆氢化物形成物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述可逆氢化物形成物包含金属或金属合金。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述可逆氢化物形成物包含镁。
5.一种方法，其包含：
使用来自第一能源的能量在第一地点处从水中释放出氢气；
将所释放的氢气储存在金属氢化物浆液中；和
将所述金属氢化物浆液运输到与所述第一地点相距较远的第二地点。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包含从所述金属氢化物浆液中释放出所述氢气，以形成氢气和至少部分耗尽的金属氢化物浆液。
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含将所述部分耗尽的金属氢化物浆液从所述第二地点运输到所述第一地点。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含通过在所述第一地点处使用来自所述第一能源的能量从水中释放出能量而对所述耗尽的金属氢化物浆液再充氢，并且将所释放的氢气储存在所述耗尽的金属氢化物浆液中以形成所述金属氢化物浆液。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含对所述耗尽的金属氢化物浆液再充氢并从所述金属氢化物浆液中释放出氢气达至少50个周期。
10.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含利用从所述金属氢化物浆液中释放的所述氢气作为能源。
11.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一能源包含可再生能源。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述可再生能源选自由风能、水电能、地热能、海洋能、太阳能和这些能源的组合组成的群组。
13.根据权利要求5所述的方法，其中所述所释放的氢气是在所述第一地点处储存在金属氢化物浆液中。
14.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一地点具有第一能量需求，所述第二地点具有第二能量需求，并且所述第一能量需求低于所述第二能量需求。
15.根据权利要求5所述的方法，其中所述金属氢化物浆液是通过运载工具来运输的，所述运载工具选自由轨道车、卡车、油罐车、管道、驳船和这些运载工具的任何组合组成的群组。
16.根据权利要求5所述的方法，其中所述金属氢化物浆液包含镁、氢化镁和矿物油。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述金属氢化物浆液进一步包含分散剂。
18.一种系统，其包含：
电解槽，用以在第一地点处使用来自第一能源的能量从水中提取氢气；
充氢设备，其与电解槽连接，所述充氢设备包含浆液入口、浆液出口和能够将所述充氢设备中的浆液加热到至少约320℃的加热设备。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述系统能够将所述充氢设备中的压力保持在至少约150psia。
20.根据权利要求18所述的系统，所述充氢设备进一步包含泵，用以通过所述浆液出口泵送所述充氢设备中的浆液。
21.根据权利要求18所述的系统，所述充氢设备进一步包含调节器，用以将所述充氢设备中所含的浆液的温度保持在不大于约350℃下。
22.根据权利要求18所述的系统，其进一步包含与所述充氢设备浆液出口连接的储存容器。
23.根据权利要求18所述的系统，其进一步包含放氢设备，所述放氢设备包含能够将所述放氢设备中所含的氢化物浆液加热到至少约370℃的加热设备。
24.根据权利要求23所述的系统，所述放氢设备进一步包含氢气出口，从氢化物浆液中放出的氢气可通过所述氢气出口。
25.一种系统，其包含：
电解槽，其包括电接头；和
氢化物浆液充氢设备，其与所述电解槽连接。
26.一种系统，其包含：
第一设备，其使用来自第一能源的电产生氢气；
金属氢化物浆液充氢设备，其与所述第一设备连接；
金属氢化物浆液储存容器，其与所述金属氢化物浆液充氢设备连接；和
泵，用以将所述金属氢化物浆液充氢设备中的浆液泵送到所述金属氢化物浆液储存容器中。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述第一设备包含电解槽。
28.根据权利要求26所述的系统，其进一步包含与所述储存容器连接的泵，用以将所述金属氢化物浆液储存容器中的浆液转移到浆液运载工具中。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述浆液运载工具选自由卡车、小船、轨道车、驳船、管道和这些运载工具的任何组合组成的群组。
30.根据权利要求26所述的系统，其进一步包含金属氢化物浆液放氢设备，其从金属氢化物浆液中移出氢气。
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