CN114604823A - 一种储氢加压系统和方法 - Google Patents

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张畅
郭海礁
王金意
徐显明
潘龙
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Huaneng Clean Energy Research Institute
Huaneng Group Technology Innovation Center Co Ltd
Sichuan Huaneng Baoxinghe Hydropower Co Ltd
Sichuan Huaneng Kangding Hydropower Co Ltd
Huaneng Mingtai Power Co Ltd
Sichuan Huaneng Dongxiguan Hydropower Co Ltd
Sichuan Huaneng Fujiang Hydropower Co Ltd
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Sichuan Huaneng Jialingjiang Hydropower Co Ltd
Sichuan Huaneng Taipingyi Hydropower Co Ltd
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Abstract

本发明实施例提出了一种储氢加压系统和方法，其中加压系统包括：储放氢本体、换热输氢组件和加热组件；其中换热输氢组件内部包含换热介质且储放氢本体包裹在换热介质中，其中储放氢本体内部包含储氢材料，而加热组件可对换热输氢组件内的换热介质进行加热。本发明通过收集储放氢本体在储氢过程中释放的热量，并在放氢阶段对储放氢本体加热，实现了储氢反应放热和放氢加热热量的连续转化利用；此外在储放氢本体的放氢阶段，利用换热输氢组件内换热介质的气化升压对储放氢本体释放的氢气进行输送，节省了氢气传输能耗。

Description

一种储氢加压系统和方法
技术领域
本发明涉及储氢技术领域，尤其涉及一种储氢加压系统和方法。
背景技术
氢气的储存和运输是当前氢能产业链的一个瓶颈问题。为了提升氢气存储和运输过程的安全性，如何储氢成为了一个热门的研究方向，利用储氢材料在吸收氢气后可以实现氢气的稳定储存，避免了氢气作为易燃、易爆化学品在存储和运输中的安全隐患。然而，液氢存储则有绝热损耗，造成浪费和安全隐患，虽然利用固体或有机物液体等储氢材料可实现氢气大规模、长周期的存储并可在常温常压下存放且安全性高，但利用如固体储氢材料进行储氢或放氢的过程中能耗高，储氢经济性较差。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种储氢加压系统和方法，实现了储放氢循环过程中储氢反应放热和放氢加热热量的连续转化利用，提高了储放氢过程的整体能效水平并降低了氢能储输成本；利用换热输氢组件内换热介质的气化升压对储放氢本体释放的氢气进行输送，节省了氢气传输能耗。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种储氢加压系统，包括：
储放氢本体，其内部包含储氢材料；
换热输氢组件，其内部包含换热介质且所述储放氢本体包裹在所述换热介质中；和
加热组件，其对所述换热输氢组件内的所述换热介质加热。
在一些实施例中，加压系统还包括外部换热器，其用于与所述换热介质在所述换热输氢组件的外部进行热交换。
在一些实施例中，加压系统还包括电解制氢组件，其用于电解水且产生的氢气和氧气分别通入所述储放氢本体和所述加热设备。
在一些实施例中，加压系统还包括储氧组件，其一端连接所述加热组件，另一端连接所述电解制氢组件的氧气出口处和/或供氧设备。
在一些实施例中，所述换热输氢组件包括从下到上依次连接并相通的加热段、运输段和分离段；其中所述加热段、所述运输段和所述分离段内均包含所述换热介质；所述换热输氢组件对所述加热段内的所述换热介质加热。
在一些实施例中，所述储放氢本体设置在所述加热段内，其包含集取器和设于所述集取器上的第一氢气出口；所述第一氢气出口位于所述加热段内或所述运输段的底部。
在一些实施例中，所述外部换热器包括换热本体以及连接在所述换热本体的所述换热介质输入端和输出端的第一管道和第二管道；所述第一管道连接所述分离段或所述运输段的顶部；所述第二管道连接所述加热段。
在一些实施例中，所述分离段的顶部设有第二氢气出口。
在一些实施例中，所述第一氢气出口处设止逆阀，用于防止所述换热介质回流。
在一些实施例中，所述第一管道和所述第二管道上均设有阀门。
本发明实施例提出了一种储氢加压方法，包括如下步骤：
组装上述任一实施例中的所述的加压系统；
对换热介质加热至150℃以上后向集取器内输送氢压1MPa以上的氢气并使所述加热组件停止工作，储氢材料发生储氢反应且在任意时刻的一定温度下，氢压不低于Peq；
lnPeq＝-ΔH/RT+ΔS/R
其中ΔH为反应焓变，单位为kJ/mol；ΔS为反应熵变，单位为kJ/mol/K；其中ΔH和ΔS均为储氢材料有关的常数；R为理想气体常数，单位为kJ/mol/K；T为温度，单位为K；
加热段内的所述换热介质气化膨胀并打开第一氢气出口，所述储氢材料发生放氢反应,氢气与气化的所述换热介质流动至分离段，气化的所述换热介质液化并与氢气分离后回流至所述加热段；其中放氢反应时在任意时刻的一定温度下，氢压不高于所述Peq；
通过第二氢气出口收集分离后的氢气。
在一些实施例中，所述储氢材料为镁基复合储氢材料在氢压5-8MPa，120-300℃条件下发生储氢反应或放氢反应。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一实施例提出的储氢加压系统的结构示意图。
图2是本发明又一实施例提出的储氢加压系统的结构示意图。
图3是本发明另一实施例提出的储氢加压系统的结构示意图。
图4是本发明另一实施例提出的储氢加压系统的结构示意图。
附图标记：
储氢加压系统100；
储放氢本体1；集取器11；第一氢气出口12；
换热输氢组件2；加热段21；运输段22；分离段23；第二氢气出口24；隔断板25
加热组件3；
外部换热器4；换热本体41；第一管道42；第二管道43；
电解制氢组件5；
储氧组件6。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照实施例，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的在于提出一种储氢加压系统100，通过收集储放氢本体1在储氢过程中释放的热量，并在放氢阶段对储放氢本体1加热，实现了储放氢循环过程中，储氢反应放热和放氢加热热量的连续转化利用，提高了储放氢过程的整体能效水平并降低了氢能储输成本；此外在储放氢本体1的放氢阶段，利用换热输氢组件2内换热介质的气化升压对储放氢本体1释放的氢气进行输送，节省了氢气传输能耗，减少了昂贵了氢气压缩设备投资，且可利用换热介质对氢气进行预热实现加压存储。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种储氢加压系统100，包括：储放氢本体1、换热输氢组件2和加热组件3；其中换热输氢组件2内部包含换热介质且储放氢本体1包裹在换热介质中，其中储放氢本体1内部包含储氢材料，而加热组件3可对换热输氢组件2内的换热介质进行加热。
示例性的，储氢材料的粒径可以为0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm或为其间的任意范围。其中，当储氢材料的粒径过低时(例如低于0.5μm)，气固分离较为困难，会造成系统储放氢反应效率降低和投资增加；当储氢材料的粒径过高时(例如高于10μm)，储氢材料与气流的有效分离。
具体的如图1所示，储放氢本体1内部包含储氢材料，其中储氢材料在一定的温度和压力条件下能够大量“吸收”氢气并与氢气反应生成氢化物，同时放出热量；对生成的氢化物在加热又会将储存在其中的氢释放出来产生氢气，从而可利用储氢材料完成氢气的储存和释放。因此将储放氢本体1设于包含换热介质的换热输氢组件2内部，其中换热介质可理解为水、乙二醇、导热油等。可利用换热介质吸收储氢材料在储氢过程中释放的热量，并在放氢阶段对储放氢本体1加热，实现了储放氢循环过程中，储氢反应放热和放氢加热热量的连续转化利用。此外释放出的氢气因换热介质受热气化膨胀将带动氢气和换热介质混合物向上流动，随着换热介质的温度逐渐降低氢气可实现与换热介质分离。
此外需要说明的是，本实施例中的加热组件3可对换热介质进行加热，将热量传递由换热介质传送到储放氢本体1，给予储氢材料在一定的温度和压力引发储氢反应。
在一些实施例中，换热输氢组件2包括从下到上依次连接并相通的加热段21、运输段22和分离段23；其中加热段21、运输段22和分离段23内均包含换热介质；换热输氢组件2对加热段21内的换热介质加热。
具体如图3所示，换热输氢组件2包括从下到上依次设置的加热段21、运输段22和分离段23，其中加热段21和运输段22连通，运输段22和分离段23连通；而加热段21、运输段22和分离段23内均包含有换热介质。本领域技术人员可以理解的是，加热段21、运输段22内充满换热介质，而分离段23的上部预留部分空间用于分离氢气，因此并未充满换热介质。此外加热组件3是对加热段21进行加热。
在一些实施例中，储放氢本体1设置在加热段21内，其包含集取器11和设于集取器11上的第一氢气出口12；第一氢气出口12位于加热段21内或或运输段22的底部。
具体如图3所示，储放氢本体1设置可在加热段21内，其包含集取器11和设于集取器11上的第一氢气出口12；其中储氢材料设于集取器11内，而第一氢气出口12的开口最优方案为朝向运输段22，以便于从集取器11内释放出的氢气直接进入运输段22进行向上流动。优选的，第一氢气出口12处设止逆阀(未示出)，用于防止换热介质回流。
可理解的，加热组件3是对加热段21内的换热介质进行加热，换热介质将热量传送到集取器11，给予储氢材料在一定的温度和压力引发储氢反应，储氢材料将与输入的氢气进行反应生成氢化物，同时放出热量而此部分热量被换热介质吸收；而在放氢阶段需要持续的吸热，可将储氢材料在吸氢过程中吸收的热量用于加热放氢阶段。放氢阶段释放的氢气在加热段21的顶部或者运输段22的底部，换热介质受热气化膨胀裹挟氢气通过运输段22到达分离段23，随着换热介质的温度逐渐降低。在分离段23，在重力作用下氢气进入分离段23的上部，可实现与换热介质分离。优选的，在分离段23的顶部设有第二氢气出口24，用于输出氢气。
在一些实施例中，加压系统还包括外部换热器4，其用于与换热介质在换热输氢组件2的外部进行热交换。
具体的如图2和图3所示，外部换热器4包括换热本体41以及连接在换热本体41的换热介质输入端和输出端的第一管道42和第二管道43；第一管道42连接分离段23或运输段22的顶部；第二管道43连接加热段21。即换热本体41的换热介质输入端连接第一管道42的一端，第一管道42的另一端连接分离段23的底部或者运输段22的顶部；其中由上述可知在放氢阶段，换热介质受热气化膨胀裹挟氢气通过运输段22到达分离段23后，换热介质的温度逐渐降低，可对换热介质通过第一管道42输送到换热本体41进行换热(根据实际生产换热可包括降低温度或升高温度)；同时将换热后的换热介质第二管道43回流到加热段21。优选的，第一管道42和第二管道43上均设有阀门(未示出)，本领域技术人员可通过阀门控制换热介质的流量。
在一些实施例中，加压系统还包括电解制氢组件5，其用于电解水且产生的氢气和氧气分别通入储放氢本体1和加热设备。
具体的如图3所示，本实施例中的加压系统还包括电解制氢组件5，其中可利用电解水制氢，将电解水产生的氢气和氧气分别通入储放氢本体1和加热设备，其中氢气用储放氢本体1中的储氢材料进行吸收，而氧气可通入加热设备进行加热燃烧。
在一些实施例中，加压系统还包括储氧组件6，其一端连接加热组件3，另一端连接电解制氢组件5的氧气出口处和/或供氧设备。
具体的如图3所示，本实施例中的加压系统还包括储氧组件6，其中储氧组件6可理解为氧气储存罐，其中氧气储存罐可接收供氧设备或者电解制氢组件5提供的氧气，然后将氧气输送到加热组件3进行燃烧或助燃。
本发明实施例提出了一种储氢加压方法，包括如下步骤：
S1:组装上述任一实施例中的的加压系统；
S2:对换热介质加热至150℃以上后向集取器11内输送氢压1MPa以上的氢气并使加热组件3停止工作，储氢材料发生储氢反应且在任意时刻的一定温度下，氢压不低于Peq；
lnPeq＝-ΔH/RT+ΔS/R
其中ΔH为反应焓变，单位为kJ/mol；ΔS为反应熵变，单位为kJ/mol/K；其中ΔH和ΔS均为储氢材料有关的常数；R为理想气体常数，单位为kJ/mol/K；T为温度，单位为K；
S3:加热段内的换热介质气化膨胀并打开第一氢气出口12，储氢材料发生放氢反应,氢气与气化的换热介质流动至分离段23，气化的换热介质液化并与氢气分离后回流至加热段21；其中放氢反应时在任意时刻的一定温度下，氢压不高于Peq；
S4:通过第二氢气出口24收集分离后的氢气。
具体的如图4所示，其中步骤S2中对换热介质加热至150℃以上后向集取器11内输送1MPa以上的氢气并使加热组件3停止工作，
其中储氢反应的化学表示式为：M+xH2——>M-H2x
储氢材料发生储氢反应且在任意时刻t的一定温度下，储氢反应的氢压不低于Peq；
lnPeq＝-ΔH/RT+ΔS/R
其中ΔH为反应焓变，单位为kJ/mol；ΔS为反应熵变，单位为kJ/mol/K；其中ΔH和ΔS均为储氢材料有关的常数；R为理想气体常数，单位为kJ/mol/K；T为温度，单位为K。
在步骤S3中，放氢反应的化学表示式为：M-H2x——>M+xH2；
放氢材料发生放氢反应且在任意时刻t的一定温度下，储氢反应的氢压不高于Peq；
lnPeq＝-ΔH/RT+ΔS/R
其中ΔH为反应焓变，单位为kJ/mol；ΔS为反应熵变，单位为kJ/mol/K；其中ΔH和ΔS均为储氢材料有关的常数；R为理想气体常数，单位为kJ/mol/K；T为温度，单位为K。
在一些实施例中，储氢材料为镁基复合储氢材料在氢压5-8MPa，120-300℃条件下发生储氢反应或放氢反应。
具体的，本实施例中的镁基复合储氢材料为氢化镁(MgH2)和石墨烯纳米片通过球磨复合而成，其中以镁基复合储氢材料的质量为基准，其中石墨烯纳米片的质量百分数为5％-10％，其中石墨烯纳米片上可负载含镍金属，例如镍、硼化镍等，其中石墨烯纳米片的质量为基准，镍或硼化镍相对于石墨烯纳米片的质量百分数为20-40％。镍或硼化镍相对于石墨烯纳米片的质量百分数可以为20％、30％、40％或为其间的任意范围。
示例性的，以镁基复合储氢材料的质量为基准，镁基复合储氢材料包括5wt％石墨烯纳米片和95wt％的氢化镁。在300℃、5MPa氢压条件下时,本实施例中的镁基复合储氢材料1min之内储氢6.6wt％,40min之内可放氢6.1wt％；150℃、5MPa氢压条件下时,180min之内储氢6.0wt％，300min之内可放氢5.0wt％。
例如，以镁基复合储氢材料的质量为基准，镁基复合储氢材料包括5wt％负载镍的石墨烯纳米片和95wt％的氢化镁，在300℃时,5MPa氢压条件下时,本实施例中的镁基复合储氢材料1min之内储氢6.6wt％,10min之内即可放氢6.0wt％；230℃、5MPa氢压条件下时,120min之内可放氢5.07wt％；在150℃、5MPa氢压条件下时,25min之内可储氢5.3wt％。
例如，以镁基复合储氢材料的质量为基准，镁基复合储氢材料包括5wt％负载硼化镍的石墨烯纳米片和95wt％的氢化镁：300℃、5MPa氢压条件下时,1min之内储氢6.6wt％；在300℃、5kPa氢压下,10min之内可放氢6.0wt％；当温度低至230℃、5MPa氢压条件下时,120min仍可放氢4.79wt％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种储氢加压系统，其特征在于，包括：
储放氢本体，其内部包含储氢材料；其中所述储氢材料为粒径为0.5-10μm；
换热输氢组件，其内部包含换热介质且所述储放氢本体包裹在所述换热介质中；和
加热组件，其对所述换热输氢组件内的所述换热介质加热。
2.根据权利要求1所述的加压系统，其特征在于，还包括外部换热器，其用于与所述换热介质在所述换热输氢组件的外部进行热交换。
3.根据权利要求1或2所述的加压系统，其特征在于，还包括电解制氢组件，其用于电解水且产生的氢气和氧气分别通入所述储放氢本体和所述加热设备。
4.根据权利要求3所述的加压系统，其特征在于，还包括储氧组件，其一端连接所述加热组件，另一端连接所述电解制氢组件的氧气出口处和/或供氧设备。
5.根据权利要求2所述的加压系统，其特征在于，所述换热输氢组件包括从下到上依次连接并相通的加热段、运输段和分离段；其中所述加热段、所述运输段和所述分离段内均包含所述换热介质；所述换热输氢组件对所述加热段内的所述换热介质加热。
6.根据权利要求5所述的加压系统，其特征在于，所述储放氢本体设置在所述加热段内，其包含集取器和设于所述集取器上的第一氢气出口；所述第一氢气出口位于所述加热段内或或所述运输段的底部；所述第一氢气出口处设止逆阀，用于防止所述换热介质回流。
7.根据权利要求5或6所述的加压系统，其特征在于，所述外部换热器包括换热本体以及连接在所述换热本体的所述换热介质输入端和输出端的第一管道和第二管道；所述第一管道连接所述分离段或所述运输段的顶部；所述第二管道连接所述加热段。
8.根据权利要求5或6所述的加压系统，其特征在于，所述分离段的顶部设有第二氢气出口。
9.一种储氢加压方法，其特征在于，包括如下步骤：
组装权利要求1-8中任一所述的加压系统；
对换热介质加热至150℃以上后向集取器内输送氢压为1MPa以上的氢气并使所述加热组件停止工作，储氢材料发生储氢反应且在任意时刻的一定温度下，氢压不低于Peq；
lnPeq＝-ΔH/RT+ΔS/R
其中ΔH为反应焓变，单位为kJ/mol；ΔS为反应熵变，单位为kJ/mol/K；其中ΔH和ΔS均为储氢材料有关的常数；R为理想气体常数，单位为kJ/mol/K；T为温度，单位为K；
加热段内的所述换热介质气化膨胀并打开第一氢气出口，所述储氢材料发生放氢反应,氢气与气化的所述换热介质流动至分离段，气化的所述换热介质液化并与氢气分离后回流至所述加热段；其中放氢反应时在任意时刻的一定温度下，氢压不高于所述Peq；
通过第二氢气出口收集分离后的氢气。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述储氢材料为镁基复合储氢材料，在氢压5-8MPa，120-300℃条件下发生储氢反应或放氢反应。
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