CN105189339B - 用于制得金属氢化物浆料的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于制得金属氢化物浆料的方法，其包括将金属添加到液体载剂中以产生金属浆料并且使所述金属浆料中的所述金属氢化以产生金属氢化物浆料。在一些实施例中，在所述金属氢化之前，将金属氢化物添加到所述金属浆料的所述液体载剂中。所述金属可以是镁并且所述金属氢化物可以是氢化镁。

Description

用于制得金属氢化物浆料的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月1日提交的美国申请第13/782,747号的优先权。其公开内容以全文引用的方式并入。
技术领域
本文涉及用于制得金属氢化物浆料，尤其氢化镁浆料的系统和技术。
背景技术
呈电力形式的能量可以例如通过向电解过程施加电力使水中的氢与氧解离而以氢的形式储存。呈热量形式的能量也可以通过使用热转化过程使水中的氢与氧解离而以氢形式储存。
氢可以并入金属氢化物中。稍后，可以通过将水与金属氢化物混合来释放氢并且用于例如向汽车提供能量。使用500℃或更高的温度和200大气压或更高的压力，可以将镁和氢转化成氢化镁。催化剂可以降低所需的温度和压力。
发明内容
本文描述可以用于生产金属氢化物浆料的系统和技术。举例来说，公开了生产氢化镁浆料的方法。一般来说，生产金属氢化物浆料的方法包括将金属与液体载剂组合以形成金属浆料并且当金属在浆料中时使其氢化。相比于在浆料的液体载剂不存在下使金属氢化，在液体载剂存在下使金属氢化更安全。当金属粒子与液体载剂混合时，金属粒子可以被保护免受空气中的水分或氧气。这可以降低与镁粉处理相关的风险。一些金属氢化物形成剂极易反应，因此液体载剂的存在可以使此类金属粒子的处理更安全。在液体载剂存在下可以进一步制成金属粒子或减小金属粒子的尺寸。
当在浆料中时使金属氢化也可以更便宜。通过在周围的液体载剂存在下使金属氢化，可以搅拌浆料以提高从经加热的金属粒子到周围的液体载剂的热传递速率，其可以使得所述过程更有效并且因此更便宜。使用泵传输浆料也可以降低成本，因为消除了用于安全处理镁粉的更昂贵的技术。
另外，在一些情况下，在金属氢化之前，可以将金属氢化物添加到浆料中以帮助催化金属到金属氢化物的反应。
一或多个实施例的细节阐述于以下随附图式和实施方式中。其它特征和优势将从实施方式和图式以及权利要求书显而易见。
附图说明
图1是显示制得氢化镁浆料的示例性制程的流程图。
图2是金属氢化物充氢装置的示意图。
图3是金属氢化物放氢装置的示意图。
具体实施方式
一般来说，提供系统和方法以用于形成金属氢化物浆料并且在金属氢化物浆料中储存能量。本文所描述的金属氢化物浆料可以包括氢化金属或氢化金属合金。金属或金属合金可以可逆方式脱氢并且再氢化，取决于浆料所经受的条件(例如热量和/或压力)。
制得本文所提供的金属氢化物浆料的方法可以包括将金属添加到液体载剂中以产生金属浆料，并且使金属浆料中的金属氢化以产生金属氢化物浆料。相比于在浆料的液体载剂不存在下使金属氢化，在液体载剂存在下使金属氢化可能更安全。当金属粒子与液体载剂(例如矿物油)混合时，金属或金属合金可以被保护免受空气中的水分或氧气。形成金属的一些金属氢化物极易与氧气或水反应，因此可以保护粒子免受氧气或水的液体载剂的存在可以使得金属(例如金属粒子)的处理更安全。在液体载剂存在下可以进一步制成金属粒子或减小金属粒子的尺寸。
当在浆料中时使金属氢化也可以更便宜。通过在周围的液体载剂存在下使金属氢化，可以搅拌浆料以提高从经加热的金属粒子到周围的液体载剂的热传递速率，其可以使得所述过程更有效并且因此更便宜。所述制程将能够使用泵而非粉末处理技术来移动粉末状金属，并且可以用氢化器中的浆料的移动提供搅动。泵通常比粉末处理制程便宜。使用浆料途径时成本较低的主要原因是与浆料处理而非必须保护免受空气和水的粉末处理相关的风险降低。另外，在一些情况下，在金属氢化之前，可以将金属氢化物添加到浆料中以帮助催化金属到金属氢化物的反应。
图1描绘用于制得本文所提供的金属氢化物浆料的示例性制程100。在本文所提供的方法中金属或金属合金可以用作氢化物形成剂。金属或金属合金可以呈粒子形式。图1描绘形成金属粒子的步骤110以及将金属粒子与液体载剂混合以制得金属浆料的步骤120。粒子可以在放置于液体载剂中之前、期间或之后形成。举例来说，金属或金属合金可以在液体载剂存在下通过压碎金属/液体载剂混合物而形成为粒子。在一些情况下，首先将可逆氢化物形成剂粉末与矿物油(和任选地分散剂)的混合物组合，其接着碾磨(例如在碾磨器或研磨机中)以进一步减小粒子尺寸。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，金属或金属合金在引入液体载剂中之前可以流延成粒子、压碎成粒子、切削成粒子或压碎成粒子。
在一些情况下，金属或金属合金熔融并且喷射到液体载剂中以产生通过液体载剂冷却的金属或金属合金的粒子。在此制程中，金属熔融并且接着通过喷嘴泵送形成粒子喷射。在一些情况下，在喷射器中引入气体以帮助雾化。可以将金属的液体雾化液滴喷射到容器中以保护液滴不与空气或水分接触。在所述容器中，可以将气体和/或油的射流喷射跨过雾化射流以冷却粒子。可以接着通过油捕获粒子并且从冷却腔室中去除。喷射和冷却制程可以在氢气氛中或在惰性气体气氛中进行。
粒子可以具有任何适合的尺寸。在一些情况下，粒子的平均直径在0.1微米与200微米之间(例如在0.5微米与50微米之间，在0.75微米与30微米之间，在0.1微米与1微米之间，在1微米与10微米之间，在10微米与20微米之间，在20微米与30微米之间，在30微米与40微米之间，在40微米与50微米之间，在50微米与60微米之间，在60微米与70微米之间，在70微米与80微米之间，在80微米与90微米之间，在90微米与100微米之间，在100微米与150微米之间，或在150微米与200微米之间)。在一些情况下，粒子的平均直径小于5微米。
图1进一步描绘将金属粒子转化成金属氢化物的步骤130。在简单形式中，反应涉及使气态氢与金属或金属合金接触。这一反应可以表示如下：
M+x/2H2<<—>>MHX
其中M是金属或金属合金，并且X是最终金属氢化物产物中的氢原子的数量。这—反应有时被描述为吸附过程而非结合过程。
在充氢装置中，金属浆料可以转化成金属氢化物浆料。充氢装置可以包括浆料保持容器和加热装置(例如加热线圈、热交换器、加热塞和/或逆流式热交换器)，其用于将其中的金属浆料加热到充氢温度。充氢装置还包括氢气入口和任选地用于维持容器内的充氢压力的压力调节器。当充氢反应放热时，充氢装置可以包括排热设备(例如热泵或热交换器)用于维持充氢的浆料在所需温度范围内。充氢装置还可以包括搅拌或混合组件以在整个浆料中产生更均匀的温度分布，并且帮助氢分布于整个浆料中。充氢装置可以供应有新产生的金属浆料。
在一些实例中，充氢装置在逐批基础上进行操作。将金属浆料泵送到装置中，将其加热并且供应有氢气直到金属浆料转化成金属氢化物浆料。排空压力，冷却浆料，并且从装置泵送金属氢化物浆料(例如到储存槽中)。接着重复所述制程。在一些情况下，充氢装置连续地操作，因为浆料连续地被泵送、加热、充氢、冷却并且去除。
如图2中示出，在连续模式中，通过泵154将充氢设备150、金属浆料152馈入导管156的第一部分中，在所述部分中其被加热线圈158加热到充氢温度。在加热后，将金属浆料152泵送到具有位于金属浆料152上方的顶部空间161的压力腔室160中。经由气体入口163将氢气162引入顶部空间161中，在所述顶部空间中其与金属浆料152的表面153直接接触。在引发氢化物反应足够的压力(假定所选温度)下引入氢气162。或者，在浆料池底部使用鼓泡管引入氢气以产生许多极小的氢气泡。氢上升通过浆料增加了浆料的表面积并且促进被金属氢化物吸收的速率。压力腔室160是具有足够的长度以在与浆料的流动速率组合时产生压力腔室160中的浆料的延迟时间，其对于浆料的实质上完全充氢来说是足够的。当金属浆料152中的金属氢化形成充氢金属氢化物浆料168时，浆料释放热量。任选的热交换器166收集热量并且将热量从浆料传递到导管156的第一部分，在所述部分中其帮助加热金属浆料152。在浆料充满后，其离开压力腔室160并且进入导管172的第三部分，在所述部分中其例如通过热交换器166冷却到约室温。接着将充氢金属氢化物浆料泵送出充氢装置150。
在这一配置的一个变化形式中，所述制程可以通过泵送一些放氢金属氢化物浆料通过逆流式热交换器并且接着通过加热器(将提高放氢金属氢化物浆料的温度到操作温度)并且接着进入充氢卷(其中氢将接触浆料)。在金属或金属合金与氢之间的反应将产生热量，必须主动地去除其中一些热量以维持浆料温度在所需反应温度下。在氢化部分中持续几小时之后，氢化将完成并且充氢金属氢化物浆料将通过逆流式热交换器传送回并且进入充氢金属氢化物浆料的分离容器中。传送通过逆流式热交换器一侧的热浆料将损失其热量给传送通过逆流式热交换器另一侧的冷耗尽浆料。
在一些情况下，金属浆料在氢化之前可以包括一些金属氢化物。在一些实施例中，添加到金属浆料中的金属氢化物的量为约1％到约50％(例如约3％到约20％)。对于氢化镁，氢化物可以充当催化剂，通过可逆氢化物形成剂提高氢化物形成速率，例如，如美国专利第5,198,207号中所描述，其在此以引用的方式并入。如本文所使用，术语“金属浆料”是包括原生金属和任选地金属氢化物的浆料。在金属浆料氢化后，其变成“金属氢化物浆料”。在金属浆料氢化形成金属氢化物浆料之前，金属浆料中的一些量的金属氢化物的存在可以帮助在浆料中催化金属或金属合金转化成金属氢化物。在一些情况下，可以将金属或金属合金添加到呈液体载剂与金属氢化物(例如氢化镁)的混合物形式的液体载剂中。在一些情况下，在添加金属或金属合金之前，液体载剂可以包括至少1.0重量百分比金属氢化物。在一些情况下，在将金属或金属合金添加到液体载剂中之前或之后，将少量金属氢化物或含有金属氢化物的混合物添加到液体载剂中，以产生包括至少1.0重量百分比金属氢化物的金属浆料。
图1描绘制程中的再循环以在金属浆料中包括金属氢化物。图1描绘分离132所得金属氢化物浆料并且传送金属氢化物浆料的侧流134与金属和/或金属合金以及液体载剂混合以形成金属浆料的制程。在金属浆料氢化之前，可以进行分流132以使得步骤120中产生的金属浆料包括至少1.0重量百分比金属氢化物(例如至少1.2重量百分比金属氢化物，至少3重量百分比金属氢化物，或至少5重量百分比金属氢化物)。另一物流140可以接着用作一或多个商业操作中的金属氢化物浆料。
在一些情况下，包括金属氢化物的金属浆料可以使用多个步骤产生。举例来说，可以将金属或金属合金添加到液体载剂中以形成第一金属浆料。可以接着将第一金属浆料与金属氢化物浆料混合以形成包括至少1.2重量百分比金属氢化物的第二金属浆料。第二金属浆料可以接着氢化形成金属氢化物浆料。金属氢化物浆料的一部分可以接着与金属浆料的另一物流或批料混合以同样形成包括至少1.0重量百分比金属氢化物的金属浆料。举例来说，第一金属浆料(例如主要由液体载剂(和任选地分散剂)和原生金属和/或原生金属合金的粒子组成的浆料)可以至少2∶1的比率与金属氢化物浆料混合以形成第二金属浆料。
在金属浆料氢化后，“充氢”或“部分充氢”所得金属氢化物浆料。然而，金属氢化物浆料的后续使用可能释放氢并且因此“耗尽”或“部分耗尽”金属氢化物浆料。金属氢化物浆料通常可以在实质性量(例如80％或更多)的可氢化组分氢化时描述为“充氢”；在实质性量(例如80％或更多)的可氢化组分未氢化时描述为“耗尽”；或在浆料含有氢化和未氢化金属两者时描述为“部分充氢”/“部分耗尽”，其中氢化金属通常以可氢化金属总量的约20％与80％之间的量存在。在一些情况下，当金属浆料氢化变成金属氢化物浆料时，金属浆料中至少70％的金属氢化。在一些情况下，金属浆料中85％与95％之间的可氢化金属将在金属浆料氢化期间氢化。一般来说，“充氢”金属氢化物浆料可以包括一定水平的未氢化的可氢化组分，并且“耗尽”金属氢化物浆料可以包括一定水平的氢化的可氢化组分。
本文所提供的金属氢化物浆料可以储存来自任何可获得的来源的能量。在一些情况下，金属氢化物浆料可以用于安全并且有效地传输能量。举例来说，在第一地点(例如堪萨斯州(Kansas)的风车农场)可获得的能量可以储存在本文所提供的金属氢化物浆料中并且传输到可以使用能量的第二地点(例如纽约(New York))(例如用于能够燃烧氢气作为燃料的汽车中)。在第一地点，风可以使得风车的转子旋转，驱动发电机产生电力。可以在电缆上将电力运送到电解器的电气端子。系统还可以包括充氢装置。使用电力，电解器可以将水分离成氢气和氧气。水可以通过管道从来源提供。氢气可以传送通过氢气出口和管道进入充氢装置。氧气可以通过氧气出口从电解器排空，其中其可以收集以供进一步使用或排空到大气中。在一些情况下，电解器可以在压力(例如至少约50psia[磅/平方英寸绝对压])下将氢气泵送到充氢装置中，并且可以使充氢装置的内容物维持在压力下。压力可以在约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或更大范围内。可以基于充氢装置耐受压力和处理由反应产生的热量的能力设定压力水平。金属与氢之间的反应可以产生热量和充氢金属氢化物。金属与氢的反应速率可以随着更高压力而更快。在一些情况下，可以搅拌浆料以帮助热传递。在一些情况下，充氢装置的壁面和/或搅拌器的表面可以涂布有催化金属氢化物形成的催化剂。在一些情况下，可以在氢气槽中收集氢气，其中在递送到充氢装置之前将其加压。关于如何可以产生氢气、如何可以使金属氢化物浆料氢化以及如何可以传输浆料的额外细节可以见于美国专利第7,790,013号的第4行和第5行以及图1，其在此以全文引用的方式并入。
在一些情况下，加压充氢装置可以接收本文所提供的金属浆料和/或耗尽的金属氢化物浆料的物流。耗尽的金属氢化物浆料可以是已经至少部分脱氢的浆料。金属浆料或耗尽的金属氢化物浆料中金属氢化物与元素金属的比例可以为按重量计1.0％或更大。
液体载剂可以是在将使用其所处的温度和压力下与H2或金属氢化物和/或金属或金属合金不会化学反应并且关于其将H2分子解离成原子或阻止原子再结合成H2分子的催化能力将不会钝化氢化物或金属或金属合金表面的液体。液体载剂可以具有溶解可测量的量的氢的能力。在一些情况下，载剂液体是有机载剂液体，如矿物油或低分子量烃，例如烷烃(例如戊烷或己烷)。在一些情况下，液体载剂是轻质矿物油。其它载剂液体可以包括氟化烃，如全氟癸烷；基于硅酮的溶剂；饱和有机液体，如十一烷、异辛烷、辛烷以及环己烷；或高沸点烃的混合物，如煤油；以及其混合物。
在一些情况下，惰性载剂液体可以是展现约154℃到约177℃范围内的较高闪点和约42赛波特通用秒(Saybolt Universal second，S.U.s.)到约59S.U.s.范围内的粘度的无毒轻质矿物油。矿物油不与金属氢化物化学反应，产生相对较低蒸气压力，并且在约-40℃到200℃的温度范围内保持液态。载剂液体使得金属氢化物浆料为可泵送的，并且以安全液体的形式简单储存或传输。载剂可以用作氢化物与大气水之间的屏障，减少两者形成氢氧化物的反应，所述反应会降低浆料储存和释放氢的能力。使用浆料使得易于加燃料，如通过注满储槽。其它载剂可以良好起作用，包括不具有水键并且优选不具有OH键的载剂。基于硅氧烷的载剂也可以对浆料起作用。
除金属和/或金属合金、金属氢化物以及液体载剂外，可以在本文所提供的金属浆料中包括其它组分。举例来说，可以包括分散剂以稳定浆料。在一些情况下，金属浆料和所得金属氢化物浆料可以包括分散剂。分散剂可以是例如甘油三酯分散剂，其使浆料在空间上稳定。甘油三酯分散剂可以是例如油酸的甘油三酯或三油精。可以使用的其它分散剂包括聚合分散剂，例如海泊姆(Hypermer)TM LP1。分散剂可以是聚合分散剂。还可以使用甘油三酯与聚合分散剂的组合，并且如果氢化物是氢化镁，那么其可能是尤其适用的。其它分散剂包括油酸、聚丙烯酸以及十六烷基三甲基溴化铵(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％)的浓度存在于金属浆料和/或所得金属氢化物浆料中。举例来说，金属浆料可以氢化形成金属氢化物浆料，其包括氢化镁、轻质矿物油以及0.0625％CTAB与1％聚(丙烯酸)的混合物形成稳定的金属氢化物浆料。CTAB可以使得浆料更为可流动的，并且聚(丙烯酸)有助于使氢化镁粒子保持在悬浮液中。分散剂可以附着到氢化物粒子上，增加粒子在载剂流体中的阻力以因此帮助阻止沉降。分散剂还有助于防止粒子聚结。分散剂促进浆料的形成以及氢化物于矿物油中的稳定。在某些实施例中分散剂还可以具有表面活性剂性质，其也可以适用于形成浆料。举例来说，本文所提供的金属浆料可以包括甘油三酯或聚丙烯酸(-1％)或油酸(-0.125％)作为分散剂。在一些情况下，金属浆料可以包括氢化物催化剂。在一些情况下，氢化物催化剂是另一种金属(例如钒、镍和/或铁)。
金属浆料中的金属和充氢金属氢化物浆料中的金属氢化物的浓度可以在40到80重量百分比(例如50到70重量百分比，或55到60重量百分比)范围内。使用密度较大的金属氢化物可能比将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1gm/mL的金属氢化物，并且包括例如五镍化镧，而密度较小金属氢化物的密度不超过约1gm/mL，并且包括例如氢化锂。氢化镁浆料的氢化物浓度可以为至少约50重量百分比(例如至少约55重量百分比，至少约60重量百分比，至少约65重量百分比，至少约70重量百分比，或至少约75重量百分比)，和/或至多约80重量百分比(例如至多约75重量百分比，至多约70重量百分比，至多约65重量百分比，至多约60重量百分比，或至多约55重量百分比)。在一些情况下，金属浆料包括至少50重量百分比镁以及一或多种选自由以下组成的群组的元素：钒、镍以及铁。
在一些情况下，金属浆料中的金属和/或金属合金可以包括镁、钒、FeTi、LaNi5、MgNi2、NaAl或其它金属氢化物形成剂中的一或多者，无论元素金属、金属合金或金属间材料。金属间氢化物形成剂包括LaNi4.5Al0.5、LaNi5以及TiFe7Mn2。金属氢化物形成剂包括过渡金属(周期表第IIIA族到第VIIIA族)，包括镧系元素和锕系元素系列。其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，并且能够在能力很少降低的情况下经历多次吸收和解吸循环。已知形成可逆氢化物以用于可逆地捕获氢的金属和金属合金包括如美国专利第4,075,312号中所阐述的钛合金、如美国专利第4,142,300号中所公开的镧合金以及如美国专利第4,200,623号中示出的其它合金。已知形成金属氢化物的元素金属描述于W.M.缪勒(Mueller)、J.P.布莱克利奇(Blackledge)以及G.G.利伯维茨(Libowitz)的“金属氢化物(Metal Hydrides)”，学术出版社(Academic Press)，纽约(N.Y.)1968中。这些专利和参考文献此处以引用的方式并入。
本文所提供的金属浆料可以由泵通过管道从金属浆料源抽取并且通过浆料入口压入充氢装置中。可以接着使用加热线圈加热加压充氢装置中的金属浆料。当加热金属浆料时，浆料中的金属可以进一步充入氢气，其中浆料中呈金属氢化物形式的氢的量提高以形成金属氢化物浆料。对于氢化镁，反应速率极其缓慢直到氢化物的温度高于约280℃，如此将氢化镁加热到这一温度可以加速初始反应。接着通常加快速率，并且可以降低温度和/或压力以控制反应速率。通过这一制程，金属浆料变成充氢金属氢化物浆料。针对充氢加压浆料加热达到的温度可以在较宽范围内，例如在约50℃到约350℃范围内，取决于浆料中所使用的金属氢化物。对于氢化镁，充氢范围是约250℃到约400℃(例如约260℃到约300℃)。
在充氢之后，使金属氢化物浆料冷却到(例如)室温。金属氢化物浆料的冷却可以在分离侧流134以便再循环与金属浆料的另一物流或批料混合之前或之后发生。冷却的金属氢化物浆料在其温度保持在冷却范围内时不会释放显著量的氢，并且因此可安全储存和/或传输。“显著量”的氢是大到足以显著影响放氢地点可用的能量或使用浆料作为能源的成本效益(cost-effectiveness)的量，或足以造成储存和/或运输困难(例如，因产生氢气而引起的压力增大)的量。举例来说，在一些情况下，冷却的充氢金属氢化物浆料释放不超过其总氢的约1％(例如不超过其总氢的约10％，不超过约1％，或不超过约0.1％)。在一些情况下，氢释放量可能小于0.1％。充氢金属氢化物浆料不会释放显著量的氢的可用温度范围取决于浆料中所使用的金属氢化物。对于氢化镁，浆料将不会在低于约200℃(例如低于约100℃，低于约80℃，低于约60℃或低于约40℃)的温度下产生显著量的氢。可以使其它可逆氢化物保持更冷以确保不会释放显著量的氢。在一些情况下，金属氢化物浆料可以在加热金属浆料的热交换器中冷却。
在金属氢化物浆料形成后，泵可以从金属氢化物浆料出口通过管道将金属氢化物浆料泵送到金属氢化物浆料储存装置中，在所述储存装置中充氢金属氢化物浆料可以长期储存。充氢金属氢化物浆料储存装置可以具有出口以使浆料通过泵被抽入浆料运载工具(例如油罐卡车)中。浆料运载工具可以是能够长距离搬运流体的任何运载工具，如机动车辆、轨道车、轮船、驳船以及管道或其它导管。运载工具可以是用于运输汽油或燃油的那一类卡车。泵可以是致力于从单个分配器服务卡车的服务站的一部分或可以用于服务具有多个分配器的卡车。
浆料运载工具可以将充氢金属氢化物浆料(包括以氢形式储存在氢化物中的能量)从第一地点(例如第一管辖区内的地点)运输到第二地点(例如第二管辖区内的地点)。在第二地点，用于卸载所运输浆料的卸载台包括管道，泵通过管道将浆料从运输设备中抽出并且将其泵送到充氢金属氢化物浆料储存槽中。当需要氢时，可以通过泵将充氢金属氢化物浆料从充氢金属氢化物浆料储存槽通过管道泵送到浆料入口并且进入放氢装置中。
放氢装置可以含有加热器(例如加热线圈)用于将浆料加热到浆料的金属氢化物释放氢的温度。在一些情况下，放氢装置可以在无水条件下加热金属氢化物浆料。加热温度取决于浆料中的金属氢化物的放氢特征。对于氢化镁，加热温度为约250℃到约400℃(例如约290℃到约370℃或约320℃到约360℃)。其它氢化物可以具有不同的释放氢的温度。一般来说，温度将为最少约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40℃(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℃)。在一些情况下，放氢装置可以包括放氢装置的一或多个表面和/或搅拌器上的催化剂以催化脱水过程。
放氢装置可以在由金属氢化物的放氢特征和系统经济决定的压力下操作。对于氢化镁，可能在接近大气压或更低的压力下出现最高放氢速率。在一些情况下，可以在30psia到200psia范围内的压力下提供氢。在一些情况下，可以在65psia到120psia范围内的压力下提供氢。
放氢装置可以被设计成隔绝空气和水，尤其是氧气和水。充氢装置也被设计成隔绝空气和水，因为这些材料可以与金属氢化物反应并且阻止其吸收或解吸氢。因此，在一些情况下，放氢装置可以在无水条件下操作。
随着加热充氢金属氢化物浆料并且排出氢气，浆料变成耗尽的金属氢化物浆料(包括小于显著量的氢的金属氢化物浆料，因为例如一些氢已从浆料中放出或因为浆料是新形成的并且尚未被氢化)。可以用泵通过气体出口将耗尽的可逆浆料抽入浆料运载工具(其可以是例如运载充氢金属氢化物浆料所用的同一卡车)中用于运输回第一地点(或另一再充氢设施)进行再充氢。在一些情况下，耗尽的金属氢化物浆料可以与原生金属和液体载剂混合以制得金属浆料。
从充氢金属氢化物浆料排出的氢气可以通过气体出口排空并且收集，例如装于氢气瓶中或直接使用。瓶装氢气可以用于例如驱动车辆中的燃料电池。在一些情况下，氢可以被用于除能源外的用途。举例来说，氢气可以在实验室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。在一些情况下，金属氢化物浆料可以直接用作车辆的能源，而非用作瓶装氢气源。举例来说，充氢金属氢化物浆料可以直接泵送到车辆中，例如泵送到车辆中的储存槽中。车辆可以具有位于车辆内的放氢装置，允许放出适用作车辆中的燃料源的氢气。在一些情况下，车辆还可以具有充氢装置，以使得耗尽或部分耗尽的金属氢化物浆料可以在车辆自身内再补给。
充氢金属氢化物浆料可以安全储存并且运输，并且所述氢可以易于提取以用作燃料。充氢金属氢化物浆料可以是耐火的并且可以安全地处理、储存并且运输。充氢金属氢化物浆料在标准环境温度和压力下可以是稳定的，以例如使得氢不会从氢化物中解离并且放出。充氢金属氢化物浆料可以易于通过导管泵送并且进入储存槽、运输装置和/或充氢和放氢装置中。
反应方向由氢气压力和/或反应温度决定。在镁金属用于金属浆料中并且转化成氢化镁的一些实例中，需要约250℃到约400℃(例如约280℃到约350℃，或约290℃到约320℃)的温度以使镁氢化，而约280℃到约400℃(例如约300℃到约380℃，或约320℃到约360℃)的温度导致氢化镁脱氢。其它金属/金属氢化物系统可以在显著降低的温度和压力的情况下操作，例如吸收和解吸温度不超过约250℃(例如不超过约225℃，不超过约200℃，不超过约175℃，不超过约150℃，不超过约125℃，不超过约100℃，或不超过约80℃)。在一些情况下，合金和/或氢化物的混合物可以改善动力学和使用温度范围两者。一般来说，对于金属氢化，氢气压力的提高导致较快氢化反应和/或较低氢化温度需求。在一些情况下，氢气压力为至少约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)。压力将通常部分取决于温度(并且反之亦然)。举例来说，尽管镁浆料在300℃下在150psia的压力下产生相对快速的氢吸收，但较低温度可以提供较快反应。
一般来说，需要快速反应以降低成本。然而，在氢化期间，热量产生并且必须从系统中去除。较高热量释放速率可以潜在地分解浆料中的液体载剂(例如矿物油)。在一些情况下，温度与压力参数的组合可以用于控制反应方向和速度，并且因此控制所产生的热量。举例来说，压力可以起初相对较低，并且可以接着随着制程行进而提高。
因为氢化物反应是可逆的，所以本文所提供的金属氢化物浆料可以作用于反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)。一般来说，充氢/放氢循环次数越多，系统的成本效益越大。
金属氢化物浆料可以具有液体状流动特征，可以允许在储存和运输浆料时使用现有液体燃料基础设施。载剂液体的性质、分散剂的量以及氢化物粒子的尺寸都会影响浆料的粘度。浆料中的油可以保护金属氢化物避免与空气中的水分发生不希望的接触。浆料可以充当由放热的充氢反应产生的热量的耗散路径。分散剂使氢化物粒子保持在悬浮液中。分散剂附着到粒子上并且隔开相邻粒子以防止粒子聚结。浆料只有在施加(如通过喷灯)并且保持较高热量时才燃烧。在去除热量后，浆料燃烧停止并且火焰熄灭。
本文所提供的金属氢化物浆料可以能够保持按重量计约3％与约6％之间的氢。在一些情况下，浆料可以释放约70％到约98％的所吸收的氢(例如约80％到98％或90％到98％所吸收的氢)。剩下的残余氢化物可以接着充当使耗尽的金属氢化物浆料再充氢的催化剂。
一般来说，放氢装置类似于充氢装置。放氢装置通常包括流体保持容器和加热装置(例如加热线圈、热交换器和/或加热塞)用于将其中的浆料加热到放氢温度。在利用氢化镁的情况下，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℃)。其它氢化物可以在降低的温度和压力的情况下操作。所述装置进一步包括用于从容器中释放氢气的氢气出口。放氢装置任选地进一步包括排热设备(例如热泵、热交换器或绝缘逆流式热交换器)用于降低浆料耗尽可释放的氢后的温度。
在一些实例中，放氢装置在逐批基础上进行操作。将充氢金属氢化物浆料泵送到装置中并且加热，此时氢从浆料中放出。接着任选地冷却耗尽的浆料并且从装置泵送(例如到储存槽中)。接着重复所述制程。
在一些情况下，充氢金属氢化物浆料被连续泵送到放氢装置中、加热、耗尽、冷却并且去除。图3说明连续模式放氢装置200的一个实例，其中通过泵204将充氢金属氢化物浆料202馈入导管206的第一部分中，在所述部分中使用加热线圈208将其加热到解吸温度。在加热后，将充氢金属氢化物浆料202传送到具有在浆料202的表面203上方的顶部空间211的解吸腔室210中。氢气212从充氢金属氢化物浆料202解吸进入顶部空间211，其经由气体出口212从所述顶部空间排空。压力阀门214可以用于控制顶部空间211内的压力。解吸腔室210导管的长度足以在与浆料的流动速率组合在一起时准许实质上所有可用氢解吸。现为耗尽的金属氢化物浆料216的浆料离开解吸腔室210并且进入导管220的第三部分，在所述部分中其任选地借助于热交换器222冷却到约室温，所述热交换器从耗尽的金属氢化物浆料216吸取热量并且将其施加到进入放氢装置200的充氢金属氢化物浆料202。耗尽的金属氢化物浆料216接着泵送出放氢装置200，例如以便储存和/或运输。
在一些情况下，压力阀门214可以耦合到冷却系统226上以冷却氢气212并且使已挥发并且与氢气212一起排空的任何油228冷凝。压力阀门可以位于油冷凝器下游。当在压力下时，油将在较高温度下冷凝。如此冷凝的任何油228都可以加回耗尽的金属氢化物浆料216中。在一些情况下，氢气212可以通过过滤器230(例如木炭过滤器)以去除任何剩余油或其它杂质。可以接着将现已纯化的氢气212′送入进一步处理，如装瓶。或者，氢气212′可以供应到耗氢过程，如燃料电池或焊接系统。
一般来说，第一能源用于形成或提取储存在氢化物浆料中的氢。在某些实施例中，第一能源是易于在特定地点(例如第一地点)获得和/或不易于在第二地点获得和/或不易于转移到第二地点的能源。此类能源包括可再生能源，如呈热或电的形式的风能、地热能、水电能、海洋能(例如利用海浪、潮汐能量或储存在海洋中的热能)、生物质能以及太阳能。此类能源通常不会产生温室气体并且不会耗尽。生物质可能产生温室气体，但典型地不会向大气造成实质性量的额外温室气体，因为生物质使用温室气体来制得自身。在一些实施例中，可以利用核能产生氢。在其它实施例中，可以利用通常用作能源的燃料(例如煤、油和/或天然气)以产生氢。氢可以在少量地点产生，在所述地点应注意减少由此类燃料燃烧而产生的污染。
与化石燃料相比，许多这些能源自身不易于以未使用和/或稳定的形式运输。另外，许多这些能源位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)。在一些地点，可用的能量大于所需要的能量。可以将这种过量能量储存并且运输到较高能量需求的地点。
尽管上文所描述的实施例通常涉及在金属氢化物形成或充氢地点处或附近形成氢，但氢自身可以被储存并且运输到金属氢化物充氢地点。举例来说，氢可以从大规模甲烷水蒸汽重整设备运输到遥远的市场(例如数百英里远的市场)。其它实施例在所附权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种用于制得金属氢化物浆料的方法，其包含：
(a)将金属或金属合金与液体载剂结合以产生金属浆料，其中所述结合包括熔融所述金属或金属合金并且喷射熔融的金属或金属合金以产生金属粒子，其中将所述熔融的金属或金属合金喷射到所述液体载剂中以产生所述金属浆料；
(b)使所述金属浆料中的所述金属氢化以产生金属氢化物浆料；以及
(c)分离所得金属氢化物浆料并且传送金属氢化物浆料的侧流以与所述金属和/或金属合金以及所述液体载剂混合以形成第二金属浆料，其中(i)所述金属和/或金属合金以及所述液体载剂与(ii)所述金属氢化物浆料在至少2:1的比率下混合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述喷射在氢气氛中进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子的直径在1微米到100微米之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述金属或金属合金添加到所述液体载剂中之前所述液体载剂呈包括液体载剂与氢化镁的混合物形式。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属浆料包含至少1.2重量百分比金属氢化物。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述金属氢化之前将金属氢化物添加到所述液体载剂中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述金属氢化物在金属氢化物浆料中，在所述金属浆料的所述金属氢化之前将所述金属氢化物浆料添加到所述液体载剂中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中将所述金属添加到所述液体载剂中以形成第一浆料，其中所述第一浆料以至少2:1的比率与金属氢化物浆料混合以形成包含所述金属、金属氢化物以及液体载剂的金属浆料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体载剂是轻质矿物油。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属浆料包含分散剂，其中所述分散剂选自由以下组成的群组：甘油三酯、聚丙烯酸、油酸以及其组合。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属是镁并且所述金属氢化物是氢化镁。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属合金是镁的合金。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述金属包含至少50重量百分比镁和一或多种选自由以下组成的群组的元素：钒、镍以及铁。
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