CN110546425A - 氢气储存装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氢气储存装置(100)，包括：第一材料(111)，该第一材料用于通过吸着来储存氢气；第二材料(112、121)，所述第二材料用于通过吸着来可逆地储存氢气；及腔室(110)，在所述腔室内布置有所述第一材料(111)，其中，在相同温度和相同氢气填充率下，所述第一材料的解吸平衡压力严格大于所述第二材料的解吸平衡压力，且所述第二材料与所述第一材料流体连通，从而所述第二材料限制该腔室内的压力，其中所述流体连通是直接的或经由流体连通构件实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢气储存装置。本发明还涉及一种相关的系统和方法。
背景技术
存在氢气储存装置。这些装置可包括用于储存氢气的固体材料。
这些装置必须遵从与其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/或在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，需要足够储存容量及储存率以确保所计划的用途。但是储存大量氢气会引发安全性问题，尤其是当该装置必须在高温下使用或储存时更是如此。能够设计这样的装置：通过强化该装置的壁来使其能够承受它们会承受例如高温。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
本发明的目的是提供一种用于解决现有技术的以上缺点中的至少一个的储存装置。
本发明的目的尤其是提供一种安全且有效的系统。
为此目的，提供一种氢气储存装置，包括：
第一材料，用于通过吸着来储存氢气；
第二材料，用于通过吸着来可逆地储存氢气；及
腔室，被称为第一腔室，并且在所述腔室内布置有所述第一材料；
其中，
在相同温度和相同氢气填充率下，所述第一材料的解吸平衡压力严格大于所述第二材料的解吸平衡压力；且
所述第二材料与所述第一材料流体连通，所述流体连通是直接的或经由流体连通构件实现；
从而所述第二材料限制所述第一腔室内的压力。
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：
所述第一材料与所述第二材料永久地保持流体连通；
所述第二材料布置在所述第一腔室内；
第三材料，用于通过吸着可逆地储存氢气；在相同温度和相同填充率下，所述第一材料的解吸平衡压力严格大于所述第三材料的解吸平衡压力；所述装置包括第二腔室，在所述第二腔室内布置有所述第三材料；所述装置包括防回流阀(被称为第一防回流阀)，所述防回流阀适于允许氢气流从所述第一腔室流至所述第二腔室；
第二腔室，在所述第二腔室内布置有所述第二材料；所述装置包括第一防回流阀，所述第一防回流阀适于允许氢气流从所述第一腔室流至所述第二腔室；
当所述第一腔室内的压力超过开启压力时，所述第一防回流阀用于使氢气流从所述第一腔室流至所述第二腔室；
第二防回流阀，所述第二防回流阀适于当所述第二腔室内的压力超过所述第一腔室内的压力时，使氢气流从所述第二腔室流至所述第一腔室；
所述第一材料和所述第二材料适于供应足够的氢气流以启动和/或运行氢气利用单元，尤其是所述单元的输入压力大于或等于1.5巴，尤其为2.5巴，尤其为5巴，尤其为10巴；
所述第一材料和/或所述第二材料和/或所述第三材料适于形成金属氢化物；
适于使气体排出的超压阀，尤其是超过临限压力，尤其是20巴至90巴；
用于加热所述第一材料和/或所述第二材料和/或所述第三材料的构件；
所述第一材料与所述第二材料相比更靠近所述加热构件。
本发明还涉及一种包括此装置和氢气利用单元的氢气储存和/或供应系统。
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：
适于控制该装置的控制构件；
用于加热所述第一材料和/或所述第二材料和/或所述第三材料的构件；
所述第一材料与所述第二材料相比更靠近所述加热构件。
本发明进一步涉及用于操作该装置或系统的方法。
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。在随附附图中：
图1示出了根据本发明的示例性实施方式的装置；
图2以曲线图的形式示出了根据本发明的示例性实施方式的压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化；
图3以曲线图的形式示出了根据本发明的示例性实施方式压力、温度和填充率随时间的变化；
图4示出了根据本发明的示例性实施方式的装置；
图5以曲线图的形式示出了根据本发明的示例性实施例的压力等温线(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本发明的示例性实施方式的压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化；
图7以曲线图的形式示出了根据本发明的示例性实施方式的压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化；
图8以曲线图的形式示出了根据本发明的示例性实施方式的压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化；
图9以曲线图的形式示出了根据本发明的示例性实施方式的压力随温度的变化；
图10示出了根据本发明的示例性实施方式的装置；
图11示出了根据本发明的示例性实施方式的系统；
图12示出了根据本发明的示例性实施方式的方法。
实施方式
氢气储存装置
一般性描述
参考图1、图4及图10，这些图描述了氢气储存装置100。
装置100例如适于供应氢气至如在下文描述的氢气利用单元。装置100例如配置为形成例如在下文描述的系统的一部分。装置100例如配置为形成能够从下文描述的系统可更换和/或可拆卸的装置。该装置形成例如一筒。
第一材料
装置100包括第一氢气储存材料111。第一材料111例如是例如通过吸着来储存氢气的材料。
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。
第一材料111可为固体材料或呈凝胶形式。第一材料111可为可逆储存材料。第一材料111可为吸附和/或吸收储存材料。第一材料111可为氢化/脱氢储存材料。
除非另外说明，否则术语第一、第二及其他序数词仅用于列出元件，并不影响这些元件之间的顺序。
第一腔室
该装置包括第一腔室110。第一材料111例如安置于第一腔室110内。
第一腔室110可包括一个或多个壁和/或区段。第一腔室110可形成一个或多个隔室。
第二材料
装置100包括第二氢气储存材料112和/或121。第二材料例如为例如通过吸着作用的可逆氢气储存材料。
第二材料可为固体材料或呈凝胶形式。第二材料可为通过吸附和/或吸收来储存的材料。第二材料可为通过氢化和/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％。
第一材料111例如在其用于氢吸着的热力学性质方面不同于第二材料。
第一腔室内的压力的限制
例如在相同温度和相同氢气填充率下，第一材料111的解吸平衡压力严格大于第二材料的解吸平衡压力，并且第二材料与第一材料流体连通，该流体连通为例如直接的或经由流体连通构件来实现，使得第二材料限制第一腔室内的压力。
事实上，这些热力学性质的差异允许第二材料影响第一腔室的压力且限制该压力。
具体地，由于差异的存在，每当将氢气在装置中分配时，第二材料会捕获和/或储存原本被第一材料捕获和/或储存的一些氢气，从而限制第一材料的填充率且因而限制了与第一材料相关联的压力。
替代地或另外地，第二材料可以可逆地储存被第一材料解吸的氢气，且/或与第一材料交换氢气。
该装置，例如第一材料111和第二材料121可配置为限制氢气的量，并因此当例如第一腔室110经受温度升高时，限制第一腔室110内的压力。
因此有可能获得这样的装置：具有令人满意的储存容量且即使在低的环境温度下启动时，仍然能够以令人满意的速率及压力供应氢气，而不会引发尤其是当储存于温度异常升高的区域中时的安全性风险。
低温意指例如小于或等于10℃的温度，例如为0℃、例如为–5℃、例如为–10℃、例如为–20℃。
因此能够实施一种不仅仅基于低平衡的系统，这样的系统会限制压力及氢气供应速率、能够有效供应的量和/或操作条件的仅低平衡压力的系统。而且，使用具有低平衡压力的材料仅会致使在低温下存在真空的风险，因此会带来更高的污染风险和更高的安全性风险。
此类装置亦省掉安全阀，或至少限制在极端情形下它的使用。这避免或限制与此类阀相关的缺点，诸如随着温度升高而引起的氢气损失，与氢气排放相关的安全性风险以及与此类阀的操作缺陷相关的风险，以及必须对此类阀进行的维护操作，以及在氢气排放时与固体材料排放相关的此类阀的操作缺陷的风险。此类装置亦免除尤其就温度而言的储存和运输的限制条件。这避免或限制与此类限制条件相关的缺点，例如由制造至使用该装置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，例如该装置例如在有火的情形中突然承受非常高温时的额外风险，及例如布置储存装置的逻辑可能性及因此其可用性的限制。
此类装置比专门加固以提供更高稳定性的容器更具优势。事实上，因此能够避免重量储存容量大幅的降低，体积储存容量的降低，以及由加热较大量无储存功能的材料所导致的效力及热传递降低。而且，能够防止与经特别加固的容器相关的大幅质量增加及其给使用者带来的缺点，以及将该装置的输入和/或输出的尺寸设置成特别对抗尤其在高压下可承受的可能条件的需要。
此类装置还制造具有未被储存材料占用的额外体积的装置更具优势。事实上，因此能够避免体积储存容量的大幅降低以及重量储存容量的降低。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。而且，能够防止与具有较大内体积的容器相关的质量及体积增加以及其为给使用者带来的缺点。
此类装置因此在储存期间允许对高温的更优耐受性和/或更优的安全性，同时保持有效的氢气供应和填充。
相同温度和相同填充率意指给定温度及给定填充率。
相同温度例如介于40℃与60℃之间，例如等于50℃。
相同填充率例如介于40％与60％之间，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中的氢气的质量与系统可容纳的最大氢气质量的比。
按照惯例，可定义在例如200巴的基准压力下计算最大质量及由此计算填充率。
例如在50℃下，且在50℃下的填充率50％下，第一材料111的解吸平衡压力具有严格大于第二材料的解吸平衡压力。
给定温度和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。
解吸平衡压力例如为脱氢平衡压力。
例如在相同温度和相同填充率下，第一材料111的解吸和/或吸附和/或吸收平衡压力，例如脱氢和/或氢化吸收平衡压力，严格大于第二材料的解吸和/或吸附和/或吸收平衡压力，例如脱氢和/或氢化吸收平衡压力，例如大至少1毫巴，例如大至少10毫巴，例如大至少100毫巴，例如大至少1巴。
两种氢气储存材料之间的直接流体连通意指例如此两种材料可接触或置于接触中，或可布置于同一空间中距离彼此一定距离，而在此两种材料之间没有组织气体(例如氢气)循环的任何障碍。
两种材料之间的流体连通构件意指用于在两种材料之间实施流体连通的任何结构，其中流体连通可为永久性的或不是永久性的。该流体连通构件包括例如经连接以便将两种材料连接起来的一个或多个管和/或一个或多个阀。
外部壳体
装置100包括例如外部壳体130，其形成例如装置的外壳。第一材料111和/或第二材料112和/或121，和/或第一腔室110例如布置于外部壳体130内。外部壳体130例如围绕第一材料111和/或第二材料112以和/或121和/或第一腔室110延伸。外部壳体130形成例如容器。
利用条件
第一材料111及第二材料可呈现不同的压力/浓度等势线，例如如图2所示。
第一材料111和第二材料例如适用于，例如相对于彼此经调整以供应足够氢气流来例如在低温下启动和和/或操作氢气利用单元，例如该利用单元的输入压力大于或等于1.5巴，例如为2.5巴，例如为5巴，例如为10巴。
第一材料111及第二材料例如适用于，例如相对于彼此经调整以例如在装置储存期间限制压力升高和/或高温下的压力，例如小于或等于90巴，例如为60巴，例如大于或等于20巴，例如为30巴，例如为约35巴的压力。具体地，在相同温度和/或相同填充率下，第一材料111的解吸平衡压力和第二材料的解吸平衡压力例如经调适，例如相对于彼此经调整以供应上述足够量的氢气流和/或进行上述限制。
高温意指例如严格大于低温的温度，例如装置的最高利用温度。装置的最高温度意指例如装置当置于操作中时未受损坏所处的温度。高温和/或最高温度例如为大于或等于40℃，例如为50℃，例如为60℃，例如为70℃，例如小于或等于100℃，例如为90℃，例如为约80℃的温度。
氢化物
第一材料111和/或第二材料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。
第一材料111和/或第二材料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。
第一材料111和/或第二材料包括例如粉末。
第一材料111和/或第二材料121可包括金属合金或由金属合金组成，例如AnBm类型，例如ABm类型，例如AB2或AB5，例如AnB类型，例如A2B，例如AB的金属间化合物，其中A与B是金属化学元素，且n与m是大于或等于1的自然数。
第一材料111和/或第二材料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。第一材料111和/或第二材料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类型的合成，以和/或相应的氢化物。第一材料111和/或第二材料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。第一材料111和/或第二材料可包括或其组成为Ti(1–y)Zry(MnVFe)2类型的合金，其中y大于或等于0且y小于或等于1。具体地，第一材料111及第二材料可包括或其组成为如下合成：第一材料111的锆质量分数严格小于第二材料的锆质量分数。举例而言，第一材料111的合金的主要组成不同于第二材料的合金的主要组成。例如，第一材料111的合金的主要组成与第二材料的合金的主要组成是相同的，第一材料111与第二材料不同之处是至少一种合金元素。
加热构件
装置100可包括用于加热第一材料111和/或第二材料和/或下文所描述的第三材料的构件213。替代地或另外地，装置适用于以允许通过系统的加热构件213来加热第一材料111和/或第二材料和/或第三材料。加热构件213例如适用于将第一材料111和/或第二材料和/或第三材料加热至第一材料111和/或第二材料和/或第三材料的操作温度。
装置可包括改善热传递和/或保持循环期间的性能和/或渗透率和/或与预计的应用相关的其他功能的一种或多种材料。
第一材料111与第二材料相比例如更靠近加热构件213。第一材料111例如布置在加热构件213与第二材料之间。因此能够优先加热第一材料111。
加热构件包括例如加热器，例如至少一个电阻器和/或热交换器。
氢气输入构件和/或输出构件
装置100可包括例如氢气输入构件和/或输出构件160，用于填充氢气和/或用于输出氢气，例如排放氢气气体的构件160。
氢气输入和/或输出构件160包括例如输入和/或输出阀。
氢气输入和/或输出构件160与第一腔室110和/或与第一材料111例如永久保持流体连通。氢气输入和/或输出构件160例如布置在第一腔室110的区域中和/或第一材料111的区域中。
氢气输入和/或输出构件160例如可在启动位置和闭合位置之间移动，在启动位置中，氢气可经由该构件进入和/或离开该装置，在闭合位置中，氢气不能经由所述构件进入和/或退出该装置。
第一超压阀
装置100可包括第一超压阀，其适于使气体(例如氢气)从例如装置100例如从第一腔室110排出例如至装置外部，例如排放至外部壳体130外部，以便例如限制装置的压力和/或阻止装置100超压，例如超过第一阈值压力，例如大于或等于诸如在下文定义的临界压力和/或开启压力，以和/或小于或等于诸如在下文定义的装置100的最大压力。第一阈值压力例如小于或等于90巴，例如为60巴，例如大于或等于20巴，例如30巴，例如约35巴。
第一实施方式
参考图1，该图描述装置100的实例。
第一材料111及第二材料112例如永久保持流体连通。
因此能够得到这样的装置，该装置例如通过第一材料，即使在低温下仍适用于提供足以使利用单元启动的氢气速率，并且例如通过第二材料在储存期间即使在高温下仍可保持相对低压力。
因此能够改善装置的大小及体积。而且，此类装置由于结构简化为一个腔室而具有较低的制造成本的结构。
由于第二材料的存在，每当氢气在装置中分配时，第二材料会捕获和/或储存原本被第一材料捕获和/或储存的一些氢气，从而限制第一材料的填充率且因而限定与第一材料相关的压力。
因此能够获得氢气总是储存于两种材料中从而限制了由其混合引起的压力的结构。
事实上，归因于其严格较低的平衡压力，第二材料与第一材料相比在储存期间具有较高的氢气填充速率。在方式下，相对于其中第二材料占据的空间被与第一材料相同的材料占据的装置，当该装置进行储存时，第一材料的填充速率较低。
因此，相对于其中第二材料占据的空间被与第一材料相同的材料占据的装置，在第一腔室内的相同压力下，该装置储存较大量的氢气。因此，在储存相同量的氢气下，第一腔室内的压力更受限。
该装置，例如第一材料111及第二材料121可布置为使得在小于或等于被称为临界温度的温度且例如通过吸着作用以气态形式储存在装置内部(例如第一腔室和/或诸如下文定义的第二腔室内部)小于或等于被称为临界量的氢气量下，第一腔室内的压力保持小于或等于被称为临界压力的压力。
临界压力为对于例如当装置被储存时(例如当装置未被使用时)例如对于临界量且对于临界温度，对应于确定为针对装置为临界的预定值。
因此，能够将该装置尺寸设定为在预定储存条件下使得其压力保持在预定压力之下。对第一材料和第二材料的选择优先控制该装置将经受的压力，其因此设定该装置的尺寸且确保在储存期间的较大安全性。例如，当温度升高至超过临界温度使得压力超过临界压力时，可通过第一超压阀确保安全性。
临界压力例如小于或等于80巴，例如小于或等于50巴，例如大于或等于20巴，例如等于30巴。
临界压力通常严格小于装置的最大压力。
装置的最大压力意指例如装置当置于操作中时不受损坏所处的压力。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，例如大于或等于20巴，例如等于35巴。
临界温度例如小于或等于100℃，例如大于或等于60℃，例如大于或等于80℃。
临界量例如等于例如在给定温度(例如临界温度)下对应于第一材料的大于或等于50％，例如小于或等于90％，例如等于60％的填充率的量与对应于第二材料的大于或等于50％，例如小于或等于90％，例如等于80％的填充率的量的总和。
装置100例如被配置为使得第一材料111与第二材料112处于例如其中压力能够变化且实时保持相同压力下的区域中。
替代地或另外地，第二材料112例如布置在与第一腔室保持流体连通的另一腔室中，连通构件包括例如通道，该通道具有例如足以使得两个腔室的压力保持相同的尺寸。
第二材料的质量分数例如为第一材料111的20％～80％，例如第一材料111的20％～40％，例如第一材料111的60％～80％。
第二材料的量的增加使得甚至能够得到更大的储存容量。第一材料111的量的增加进一步提高装置100的容量以在低温下达到的足够速率。
第二实施方式
参考图4，装置100可包括第二腔室120。第二材料121例如放置于第二腔室内。
第一材料和第二材料可布置为使得第二材料可逆地储存由第一材料释放的氢气，且因此吸收潜在的超压。
因此，能够获得这样的装置：该装置适用于例如通过第一材料即使在低温下仍然能够供应足以操作利用单元的氢气速率，并且在储存期间例如通过第二材料即使在高温下仍可保持相对较低的压力。
第二腔室120具有例如严格小于第一腔室110的体积，例如小于或等于第一腔室110的体积的80％，例如小于或等于第一腔室的体积的50％，例如大于或等于第一腔室的体积的10％的体积。
第二腔室120例如是缓冲室。
装置100可包括第一防回流阀140，其例如形成连通构件的一部分。第一防回流阀140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例如适于当第一腔室110中的压力超过开启压力时和/或当第一腔室110中的温度超过开启温度时，允许氢气流从第一腔室110流至第二腔室120。开启压力例如小于或等于80巴，例如55巴，例如30巴。开启温度例如介于60℃与70℃之间。
第一防回流阀140例如是压差阀。
临界压力在此可定义为这样的压力：该压力对应于预定的值并且且被确定为例如对于如上文所描述的临界量且针对临界温度下，例如当装置被储存时(例如当装置未被使用时)对于装置为临界的压力。
临界压力例如介于开启压力与第一阈值压力之间，例如比开启压力大10％。
因此，能够将装置的尺寸设定为使得在预定储存条件下，其压力保持低于预定压力。
装置100可包括第二防回流阀150，其例如形成连通构件的一部分。第二防回流阀150例如适用于当第二腔室120中的压力超过第一腔室110中的压力时允许氢气流从第二腔室120流至第一腔室110。
第二防回流阀150是例如止回阀。
第二材料121例如配置为可吸收从第一材料释放的氢气以便例如在最高温度下，第一腔室110具有和/或不超过第一阈值压力，以和/或诸如在下文描述的第二阈值压力，以和/或装置的最大压力。
第二材料121的质量分数例如小于第一材料111的50％，例如40％，例如30％。
装置100可包括第二超压阀，其适于允许气体(例如氢气)例如从第二腔室120的排出，例如以便限制装置的压力和/或防止装置100的超压，例如超过第二阈值压力，例如大于开启压力和/或小于或等于装置100的最大压力。
第二阈值压力例如小于或等于90巴，例如60巴，例如大于或等于20巴，例如30巴，例如约35巴。
包括一个或多个过滤器的一个或多个过滤元件例如布置于第一腔室110与第二腔室120之间，例如在第一防回流阀140和/或第二防回流阀150的区域中。过滤元件例如适于允许氢气通过和/或阻止第一材料或第二材料的颗粒通过。过滤元件例如适于阻止例如第一材料和/或第二材料的固态物质通过。过滤元件可包括多孔材料，例如具有多孔区段的一个或多个管材，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。
第三实施方式
参考图10，该图描述以技术上可能的方式组合根据第一实施方式和第二实施例的装置100的特征的装置。
因此，能够得到这样的装置：该装置适用于例如通过第一材料和/或第二材料即使在低温下仍可提供足以操作利用单元的氢气速率，并且在储存期间例如通过第二材料和/或第三材料即使在高温下仍可保持相对较低的压力。
如在上文所描述，第一材料111和第二材料112例如永久地保持流体连通。
装置100可进一步包括诸如在上文所描述的布置于第二腔室内的第二材料121。第二材料121因此形成第三材料。
系统
一般性描述
参考图11，该图描述了氢气储存和/或供应系统200。该系统包括装置100或多个此类装置100。
系统200例如是用于储存和/或供应氢气至例如至少氢气利用单元230的系统。系统200例如是用于装置的氢气储存和/或供应系统。
系统200例如是用于车辆的氢气储存和/或供应系统。车辆例如是机动车辆。机动车辆例如是例如由燃料电池供电的电动车辆。机动车辆例如是热力发动机车辆。
系统200例如是用于固定系统的氢气储存和/或供应系统。该固定系统是例如电力供应单元，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。电力供应单元例如是可携带的。
该系统例如配置为使得装置100是可更换的和/或可拆卸的。
利用单元
系统200包括例如至少一个氢气利用单元230，例如多个氢气利用单元。
至少一个氢气利用单元230是或包括例如氢气消耗单元。
至少一个氢气利用单元230是或包括例如用于例如在排出管线的区域中处理来自马达的气体的系统。
至少一个氢气利用单元230是或包括例如燃料电池，例如具有质子交换膜的燃料电池。
至少一个氢气利用单元可包括燃料电池和/或适于为由燃料电池供电的电动马达。至少一个氢气利用单元是或包括例如氢气马达，例如适于被供应以氢气的热力发动机，例如内燃机和/或混合式动力发动机。
该系统例如被配置为使得至少一个装置100可为氢气利用单元230供应氢气。该系统包括例如流体连通构件240，用于通过装置100为氢气利用单元230供应氢气。流体连通构件240例如配备有阻断构件241，该阻断构件至少可在其中通过第一流体连通构件240进行流体连通的开启位置和其中不通过第一流体连通构件240进行流体连通的闭合位置之间移动。
氢气利用单元230例如配置为至少部分地供应加热构件113，例如借助废热，例如借助来自氢气利用单元230的热量。
氢气利用单元230具有例如大于或等于1.5巴，例如2.5巴，例如5巴，例如10巴的输入压力。
控制构件
系统200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可包括装置100的第一温度传感器214，和/或氢气利用单元的第二温度传感器224。控制构件270可包括装置100的第一压力传感器214，和/或氢气利用单元的第二压力传感器224。
控制构件270可例如对装置100进行控制，例如对用于加热装置100或系统200的构件213进行控制。控制构件270可例如控制氢气利用单元230。控制构件270可例如对流体连通构件240进行控制，例如对阻断构件241进行控制。
控制构件例如配置为以实施诸如在下文描述的方法。
方法
参考图12，该图描述了用于实施装置100的方法。
该方法可包括用于制造或提供装置100的步骤1301。
该方法可包括用于启动装置的步骤1302。
该方法可包括用于用氢气填充装置100和/或第一材料111和/或第二材料的步骤1303。第一材料111和第二材料例如在装置100中填充以确保最大储存容量且使得在给定温度下，不超过第一和/或第二阈值压力，例如装置的最大压力，例如在80℃下在35巴以下。
该方法可包括用于储存和/或运输装置100的步骤1304。在储存/运输期间，装置100可经受温度的变化。
该方法可包括用于将装置安装在系统200的区域中的步骤1305。
该方法可包括利用装置100的步骤1306。步骤1306包括例如通过装置100供应氢气。在利用步骤1306期间，氢气利用单元230或者另一热源例如被配置为例如通过废热来至少部分地供应加热构件213，例如以加热第一材料111和/或第二材料，例如第一腔室110和/或第二腔室120。
利用步骤1306可包括例如通过第一材料111来启动装置100的子步骤，其中第一材料具有例如基本上足以即使在低温下仍能够通过以足够压力及速率供应足够氢气来实现启动的平衡压力。
利用步骤1306可包括一操作子步骤，在该操作子步骤中，加热构件213使第一腔室110中的第一材料的平衡压力保持足够高以确保第一材料111的解吸，例如脱氢，例如使氢气完全排放。
步骤1303和/或1304和/或1305和/或1306例如以此次序例如循环地例如重复并且例如重复数次。每一次重复之前是例如从系统100退出装置100的步骤1307。替代地或另外地，该方法可包括退出装置100和替换装置100的步骤1307，其中步骤1303和/或步骤1304和/或步骤1305和/或步骤1306于已经替换了用过的装置的装置100上进行。
在步骤1304至步骤1307中的一个或多个步骤期间，例如每一步骤期间，装置100可经历第一腔室110和/或第二腔室120内的温度升高和/或下降。
该装置在此允许令人满意的储存容量且即使在低环境温度启动的情形下仍能够以令人满意的速率及压力来供应氢气，而不会引发安全性风险，尤其当储存于其中温度异常升高的区域中时。
例如，当第一材料111和第二材料112例如永久地保持流体连通时，例如当装置100对应于第一实施方式的装置时，该方法的至少一个或更多步骤，例如步骤1303和/或步骤1304和/或步骤1305和/或步骤1306和/或步骤1307例如通过系统的压力来限定，其限定了两种材料的填充率。以此方式，第一材料111和第二材料112因其不同的热力学行为而具有不同填充率。然而，具有第一材料111和第二材料112的装置可被视为具有材料的装置。在两种材料之间被动地进行氢气的分配。该操作例如图3所示，表明例如在对装置100进行填充1303、储存1304、置放1305和利用1306的步骤期间，在第一腔室的压力(以巴为单位)和温度(以摄氏度为单位)以及第一材料和第二材料的填充率随时间变化的行为。
在图3中示出了在储存步骤1304期间发生的温度升高。在该情形下，在温度升高之后的压力升高是装置100在其整个生命周期内可经历的最明显升高，这是由于其氢气填充率是最大的。填充率的任何后续下降，例如装置100的利用步骤1306之后的填充率的下降将导致在另一温度升高期间的压力较小升高。
例如，在温度循环期间，第一材料111的填充率和/或第二材料112的填充率小于或等于10％，例如5％，例如3％。
例如，当装置包括第一腔室110和第二腔室120时，填充步骤1303例如被执行以使得仅第一腔室110被填充且/或使得第二腔室120保持为空。
开启压力，例如防回流阀140的开启压力可对应于当第一材料111达到所述开启压力时第一腔室110中的第一材料111的被称为开启温度的某一温度。例如，在储存步骤1304期间，假定未达到或未超过开启温度，第一防回流阀140并不打开，且第二腔室120保持处于大气压力或处于氢气利用单元的输入压力，例如对应于第二排放材料121的平衡压力。举例而言，在储存步骤1304期间，当第一腔室110超过开启温度时，氢气从第一材料111释放且经由第一防回流阀140转移至第二腔室120中的第二材料121，第二材料121吸收该转移的氢气。举例而言，在储存步骤1304期间，当温度下降至开启温度以下时，通过第二防回流阀150来平衡第一腔室110和第二腔室120的压力。
举例而言，利用步骤1306的操作子步骤可包括：第二材料121的解吸，例如完全解吸，该第二材料可选地填充有氢气，例如先前在储存步骤1304期间填充氢气；第二材料121的解吸，例如当第一腔室110的压力变得低于第二腔室120的压力，例如低于在第二腔室120的温度下第二材料的平衡压力时，且在填充时发生。在此阶段，足够热量已传递至第一腔室110和第二腔室120以允许平衡压力增加且允许排放由第二材料121储存的氢气的大部分。
该方法可包括用于例如在步骤1304期间进行的经由第一超压阀和/或第二超压阀的气体排出的步骤。
该方法可包括对应于诸如前文描述的装置的操作的一个或多个步骤。
详细实例
第一实施例
第一材料111和第二材料112例如永久地保持流体连通。第一材料111和第二材料112例如布置于第一腔室110内。
第一材料111和第二材料112可由Ti(1–y)Zry(MnVFe)2类型的合金组成，其中y大于或等于0且y小于或等于1，第一材料111与第二材料相比具有严格较小的锆质量分数，例如其中x–y<0.1且x>y。第一材料和第二材料不同之处在于平衡压力的行为，如图2所示，该图示出了在80℃下随氢气浓度(以重量百分比为单位)变化的压力等温线(以巴为单位)(图2)，实线曲线表示第一材料的氢化及脱氢的等温线，而虚线曲线表示第二材料的氢化及脱氢的等温线。图2进一步示出填充率。图2进一步示出临界压力。第一材料111和第二材料112例如在第一腔室110中。
氢气利用单元230例如是燃料电池。
加热构件213适用于将第一材料111和第二材料加热至50℃的标称操作温度。
该装置可包括改善热传递和/或保持循环时的效能和/或渗透率和/或与预计的应用的其他功能的一种或多种材料。
例如在图2、图3、图7、图8及图9中详述示出了装置100的行为。
图3示出了例如在填充步骤1303、储存步骤1304、置放步骤1305及利用步骤1306期间，第一腔室110内的压力(以巴为单位)和温度(以摄氏度为单位)及第一材料111和第二材料112的氢气填充率随时间(以分钟为单位)的变化。
根据步骤1303填充第一材料111和第二材料112尤其确保了当装置被完全填充装时在80℃下的最大储存容量及小于35巴的压力。该装置例如在80℃，大于30巴例如约35巴的压力下被填充，以便在小于或等于35巴的压力且针对高达80℃的储存下达到在完全填充状态下，对于第一材料111达到约为1.1重量％的氢气储存容量，以及例如对于第二材料112达到约为1.5重量％的氢气储存容量。
在图3的实例中，例如进行步骤1303以对于第一材料111获得62％的填充率且对于第二材料获得84％的填充率。例如，当材料的填充率保持稳定时，停止氢气供应。
装置100的容量是例如随第一材料111和第二材料112的质量分数而变化。使用相对于第一材料111为较大相对量的第二材料112提高储存容量且在80℃下保持低储存压力。第一材料111例如保持足以确保低温下的足够氢气供应的量。第二材料112相对于第一材料111的质量比例如约为2/1，例如以便获得约为1.35重量％的组合储存容量。
参考图3，步骤1304在此包括例如归因暴露于80℃或稍微较高温度而增加至约80℃。压力随温度变化而升高。同时，第一材料111逐渐释放氢气，该释放的氢气被第二材料112捕获。温度升高之后出现温度的下降，并伴有压力的降低。
在利用步骤1306期间，例如发生氢气的排放，压力降至2巴。第一材料111首先释放氢气且接着第二材料112释放氢气。
图7以曲线图的形式示出了对于参考图1或图4的装置100中压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化。例如在50℃的操作温度下例如使用(步骤1306)装置100。
装置100例如当以1.1重量％填充第一材料111且以1.5重量％填充第二材料时被视为完全填充。
对于约2巴的输入压力，第一材料111可例如排放至0.21重量％且第二材料112可例如排放至0.26重量％。例如第一材料111首先排放。在排放期间，一旦压力下降至第二材料112的平衡压力以下，则例如第二材料112也供应氢气。
图9以曲线图的形式示出了压力(以巴为单位)在-20℃至80℃的温度范围内的变化。压力例如在-10.4℃以下时小于2巴。在此描述的变化是不会消耗氢气的装置的值的实例。
第二实施例
第二材料121例如布置在第二腔室120内。
第一材料111和第二材料121可由Ti(1–y)Zry(MnVFe)2类型的合金组成，其中y大于或等于0且y小于或等于1，第一材料111与第二材料121相比具有严格较小的锆质量分数，例如其中x–y<0.1且x>y。第一材料和第二材料不同之处在于如平衡压力的行为，图2所示，该图示出了在80℃下随氢气浓度(以重量百分比为单位)变化的压力等温线(以巴为单位)，实线曲线表示第一材料的氢化及脱氢的等温线，而虚线曲线表示第二材料的氢化及脱氢的等温线。
装置100可包括一种或多种导热材料，和/或，改善循环期间的效能保持，和/或渗透率和/或与预计的应用相关的其他功能的一种或多种材料。
第二材料121相对于第一材料111的质量比约为27％。此类装置110的氢气的最大容量(即，对应于100％的填充率)为约1.2重量％。
例如在图5至图8中详细示出了装置100的行为。
氢气利用单元230例如是燃料电池。
加热构件213适用于将第一材料111和/或第二材料121加热至50℃的标称操作温度。
图5以曲线图的形式示出了压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化，例如其中材料与图2和图3的第一材料和第二材料相同，区别在于是它们被分别布置在第一腔室110和第二腔室120中，且质量比不同。装置100例如在约50℃下被填充(步骤1303)，例如使得第一材料111容纳1.5重量％的氢气。在储存/运输(步骤1304)期间，装置100例如暴露于高温中，例如暴露于80℃中。此温度的升高导致第一腔室110内的压力升高，例如至少升高至开启压力，例如升高至30巴，第一防回流阀140打开以使得氢气能够转移至第二腔室120。压力在此是温度的指数函数。开启压力，例如30巴例如在温度升高至大于或等于65℃期间首先获得。参考图5的曲线图，在80℃下储存在第一材料111中的约0.4重量％的氢气必须转移至第二材料121以保持开启压力。第二材料121例如具有就平衡压力而言实现在30巴和80℃下储存1.5重量％的氢气的行为。以此方式，第二材料121可具有对应于第一材料111的质量的约27％的质量，其例如足够用于储存现在释放的氢气。由于该额外的质量，组合的储存容量例如减小至1.2重量％。一旦达到平衡，第一材料111例如将排放0.4重量％，而第二材料121例如被完全填充。第一腔室110和第二腔室120例如具有相同的压力，例如约30巴。
图6以曲线图的形式示出了例如对于图5中相同的装置，压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化。在如前文参考图5描述的储存(步骤1303)之后的情况是例如使得装置100已暴露于温度第一次升高至80℃。装置100随后例如经受温度下降，例如降低至20℃，例如使得第一材料111和第二材料121的平衡压力降低。在该方式中，第一材料111和第二材料121在其相应腔室中吸收例如氢气，例如以便降低第一腔室110和第二腔室120的压力。由于气相中的氢气量通常远低于储存于第一材料111和第二材料121中的氢气量，因此储存于第一材料111和第二材料121中的氢气量的增加例如是极低。举例而言，此类装置100具有约40％空闲体积，通过吸收0.04g的氢气而使压力在80℃的30巴降低至20℃的15巴，对应于例如储存于第一材料111和第二材料121中的内容物小于0.03重量％的改变。在此配置中，由于没有达到开启压力，则例如不可能将氢气从第一腔室110转移至第二腔室120。因为第二防回流阀150，氢气可从第二腔室120转移至第一腔室110。但由于在相等温度下第二材料121的平衡压力例如总是小于第一材料111的平衡压力，此种情况将例如需要存在温度梯度。因而，在冷却期间，第一腔室110与第二腔室120并不流体连接。
“两个元件之间的流体连接”意指适于使该两个元件处于流体连通中的所有流体连通构件。流体连通构件可例如包括一个或多个管和/或一个或多个阀。
若稍后发生另一温度升高，则每一隔室中释放少量的氢气，这将使第一腔室110中的压力增加至30巴。在温度梯度引起氢气从第二腔室120转移至第一腔室110的情形下，这可触发第一腔室中的压力升高足以使第一防回流阀140打开。在该方式下，原始的高温条件将再次组合。温度循环可继续。该系统不能超过第一防回流阀140的预定开启压力，从而保证相对于与相关的温度与压力相关联的风险的高安全性。
图7以曲线图的形式示出了压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化。例如，装置100例如在50℃的操作温度下例如使用(步骤1306)。
例如在大部分暴露于80℃之后，第一材料111例如以1.1重量％填充，且第二材料121例如以1.5重量％填充。
针对约2巴的输入压力，第一材料111可例如排放至0.21重量％且第二材
料121可例如排放至0.26重量％。第一材料11 1例如首先排放。在排放期间，一旦压力降低至低于第二材料121的平衡压力，第一材料例如通过第二防回流阀150的开启而例如供应氢气。
图8以曲线图的形式示出了压力等温线(以巴为单位)随氢气浓度的变化。示出了在10℃下对于第一材料111的平衡解吸压力和在20℃下对于第二材料121的平衡解吸压力。第一材料111确保能够在低温下控制氢气供应。此处，10℃下的平衡压力几乎等于20℃下的平衡压力。在方式中，装置100的实际压力例如是第一材料111和第二材料121的平衡压力和填充率的函数。
压力例如由第一材料决定，只要不发生超过某一阈值(例如65℃)的温度升高即可。
Claims (15)
1.一种氢气储存装置(100)，包括：
第一材料(111)，用于通过吸附来储存氢气；
第二材料(112、121)，用于通过吸附来可逆地储存氢气；及
腔室(110)，在所述腔室内布置有所述第一材料(111)；
其中，
在相同温度和相同氢气填充率下，所述第一材料的解吸平衡压力严格大于所述第二材料的解吸平衡压力；且
所述第二材料与所述第一材料流体连通，所述流体连通是直接的或经由流体连通构件实现；
从而所述第二材料限制所述腔室内的压力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一材料(111)与所述第二材料(112)永久地保持流体连通。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第二材料(112)布置在所述腔室内。
4.根据前述权利要中任一项所述的装置，所述装置进一步包括：第三材料，用于通过吸附可逆地储存氢气；在相同温度和相同填充率下，所述第一材料的解吸平衡压力严格大于所述第三材料的解吸平衡压力；所述装置包括第二腔室(120)，在所述第二腔室内布置有所述第三材料；所述装置包括防回流阀(140)，所述防回流阀适于允许氢气流从所述腔室流至所述第二腔室。
5.根据权利要求1所述的装置，所述装置包括：第二腔室(120)，在所述第二腔室内布置有所述第二材料(121)；所述装置包括防回流阀(140)，所述防回流阀适于允许氢气流从所述腔室流至所述第二腔室。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，当所述腔室内的压力超过开启压力时，所述防回流阀(140)用于使氢气流从所述腔室流至所述第二腔室。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的装置，所述装置进一步包括第二防回流阀(150)，所述第二防回流阀适于当所述第二腔室内的压力超过所述腔室内的压力时，使氢气流从所述第二腔室流至所述腔室。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述第一材料(111)和所述第二材料(112、121)适于供应足够的氢气流以启动和/或运行氢气利用单元，尤其是所述单元的输入压力大于或等于1.5巴，尤其为2.5巴，尤其为5巴，尤其为10巴。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一材料(111)和/或所述第二材料(112、121)和/或所述第三材料适于形成金属氢化物。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置进一步包括：适于使气体排出的超压阀。
11.一种氢气储存和/或供应系统，包括根据前述权利要求中任一项的装置，以及氢气利用单元。
12.根据权利要求11所述的系统，包括适于控制所述装置(100)的控制构件(270)。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的装置或权利要求11或12所述的系统，包括用于加热所述第一材料(111)和/或所述第二材料(112、121)和/或所述第三材料的构件(213)。
14.根据权利要求13所述的装置或系统，其中，所述第一材料(111)比所述第二材料(112、121)更靠近所述加热构件(213)。
15.一种用于操作根据权利要求1至10、13和14中任一项所述的装置(100)或根据权利要求11或12所述的系统的方法。
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