CN117730225A - 氢气储存-压缩系统 - Google Patents
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Abstract
氢气储存系统(1)，其包括壳体(2)、形成至少一个多容器单元(4)的多个储存‑压缩容器(6)、和包含在每个储存‑压缩容器内的被配置用于氢气储存的金属氢化物(MH)；所述至少一个多容器单元的多个储存‑压缩容器通过气体流管在直接流体连接中相互连接，确保容器内的气体压力基本相同。所述多个储存‑压缩容器安装在壳体的腔室(16)内，所述壳体被配置为在所述腔室中维持真空以测试所述至少一个多容器单元的泄漏。
Description
发明领域
本发明涉及一种利用金属氢化物储存和压缩氢的装置和方法。
发明背景
氢储存是通过可再生能源使化石燃料技术脱碳的关键一步。氢储存有多种方法，包括加压气体、氢气液化和固体材料吸收。
由于许多金属和合金能够可逆地吸收大量的氢并通过加热将其压缩，因此金属氢化物对氢的储存和压缩具有很高的研究价值。
分子氢在吸收前在金属氢化物表面解离。两个氢原子在解吸后重新结合形成H2。材料中的氢吸收反应通常是放热的(产生热量)，而氢解吸反应是吸热的(吸收热量)。
金属氢化物储存-压缩系统可以用作储存-压缩单元，通过提供解吸所需的热量，在所需的高压水平下以等压和无脉动地解吸和供应氢。
为了适应许多应用中的储存-压缩要求，氢气储存-压缩系统通常由多个容器组成，这些容器通过组装的联轴器相互连接，通常由阀门机理分开。考虑到氢气吸收过程中的放热反应和氢气解吸过程中的吸热反应，其中容器内的温度影响吸收和解吸速率和压力，最佳的输送和储存功能需要精确控制过程，并且存储系统具有一定的复杂性，这可能会降低其可靠性。传统的金属氢化物储氢罐对于加热阶段、吸收或解吸期间的热传递要求也常常不理想。
本发明概述
本发明的目的在于提供一种高效、紧凑、安全且易于使用和维护的氢气储存-压缩系统。
有利地，提供一种生产和操作成本有效的氢气储存-压缩系统。
通过提供如权利要求1的氢气储存-压缩系统，实现了本发明的目的。
本发明公开了一种氢气储存-压缩系统，所述氢气储存-压缩系统包括壳体、形成至少一个多容器单元的多个储存-压缩容器、和包含在每个储存-压缩容器内的被配置用于氢气储存-压缩的金属氢化物(MH)，所述至少一个多容器单元的多个存储-压缩容器通过气体流管在直接流体连接中相互连接，确保容器内的气体压力基本上相同。
多个存储-压缩容器安装在壳体的腔室内，所述壳体被配置为在所述腔室中维持真空以测试所述存储-压缩容器的泄漏，所述氢气储存-压缩系统还包括真空系统，所述真空系统包括连接到所述壳体的真空泵。
所述真空泵可被配置为在氢气储存-压缩系统运行期间，例如在氢气储存-压缩容器的至少一个加热阶段期间，在壳体的腔室内产生真空。
在一个实施方案中，氢气储存-压缩系统还包括加热系统，所述加热系统被被配置为用于对安装在壳体内的每个储存-压缩容器进行加热。
在一个有利的实施方案中，所述加热系统包括安装在氢气储存-压缩容器上的电热元件。
在一个有利的实施方案中，所述加热系统包括安装在氢气储存-压缩容器上或内部的电热元件。
在一个有利的实施方案中，电热元件安装在氢气储存-压缩容器的一端，导电夹套或层沿储存-压缩容器上延伸，从加热元件延伸向储存-压缩容器的另一端。
在一个实施方案中，加热系统包括用于将加热流体注入所述壳体的腔室内的壳体上的加热流体入口。
在一个有利的实施方案中，加热流体是蒸汽。
在其它实施方案中，其它热介质如导热油或水可用作加热流体。
在一个有利的实施方案中，氢气储存-压缩系统还包括冷却系统，所述冷却系统被配置为用于对安装在壳体内的每个储存-压缩容器进行冷却。
在一个有利的实施方案中，所述冷却系统包括用于将冷却流体注入所述壳体的腔室内的壳体上的冷却流体入口。
在一个实施方案中，冷却流体是空气。
在一个实施方案中，冷却流体是水。
在一个有利的实施方案中，每个储存-压缩容器的管状容器的外径D为1.2cm-10cm。所述模块的多个存储-压缩容器的相邻容器被距离范围在0.02xD至1xD(优选在0.05xD至0.5xD)的间隔(G)隔开。
在一个有利的实施方案中，每个储存-压缩容器的管状容器的外径D在2cm至8cm范围内，优选在3cm至6cm范围内，例如在4cm至5cm范围内。
在一个有利的实施方案中，储存-压缩容器之间的间隔G在0.1xD到0.4xD之间。
所述储存-压缩容器的长度L在30cm-600cm范围内。在一个有利的实施方案中，为了制造、安装和维护的实用性，所述储存-压缩容器的长度在60cm至200cm范围内，优选在80cm至150cm范围内。
在一个有利的实施方案中，气体流管包括T形连接管，所述T形连接管具有基本上在对应于所述管状容器壁的轴线的轴向方向上延伸的帽管段和基本上垂直于所述轴向方向延伸并焊接到所述帽管段的第一端的横向管段，所述帽管段的第二端被焊接到所述储存-压缩容器的入口帽上。
在一个有利的实施方案中，横向管段的端部被焊接到相邻或相对的储存-压缩容器的横向管段的端部。
在一个有利的实施方案中，列式储存-压缩容器的一端包括一个从入口帽延伸至相邻储存-压缩容器的横向管段的端部的“L”形或弯头连接管。
在一个实施方案中，一个多容器单元的多个储存-压缩容器排成一行，容器的轴线A彼此平行。
在其它实施方案中，一个多容器单元的多个存储-压缩容器以相对的排列方式排列在两个共面的行中，使得气体流管位于两行之间，容器的轴A彼此平行。
在一个有利的实施方案中，每个多容器单元包括一个过滤器，所述过滤器位于覆盖入口/出口的入口帽的内侧，以防止金属氢化物颗粒通过入口/出口逃离腔室。
在一个有利的实施方案中，所述过滤器包括或由焊接在其外围至所述入口帽的烧结金属盘组成。在一个有利的实施方案中，管状容器壁、入口和端帽以及气体流管由耐氢、耐压和耐温的金属制成，并且易于焊接。这些金属可以是不锈钢、改性碳素钢、铝合金或铜镍合金。
在一个有利的实施方案中，多个多容器单元被布置成多容器单元的堆叠，形成用于在共同压力下容纳氢气的存储-压缩模块。
在一个有利的实施方案中，所述模块的多容器单元以流体方式互连在一起并连接到一个阀门，以进一步连接到氢气消耗和产生系统。
在一个有利的实施方案中，多个所述多容器单元以堆叠方式组装在支撑结构中，以连接到共同的氢气产生和消耗系统或管网。
在一个实施方案中，根据本发明的氢气储存-压缩系统可以用作近等压和无脉动的供氢系统，所述供氢系统可以在高压下(优选大于50bar，更优选大于200bar)吸收和解吸氢气，和在基本恒定的压力和最小的温度变化(优选温度变化小于40℃，更优选温度变化范围为20℃至30℃)下解吸氢气。
在一个实施方案中，本发明所述的氢气储存-压缩系统可用于将来自迷宫式密封系统的氢气泄漏流压缩至诸如机械气体压缩机或低温泵的设备的吸入压力。
在一种应用中，氢气储存-压缩系统可有利地用作近等压氢气供应系统，以便在高压(优选高于50bar、更优选高于200bar)下吸收和解吸氢，并在基本恒定的压力和最小的温度变化(优选温度变化小于40℃，更优选温度变化范围为20℃至30℃)解吸氢。
在一种应用中，氢气储存-压缩系统可有利地用于将来自迷宫式密封系统的氢气泄漏流压缩到诸如机械气体压缩机或低温泵的设备的吸入压力。
在一种应用中，氢气储存-压缩系统可以有利地用于以无振动、无脉动的方式将氢供给到气体管网中。
本发明的其它目的和有利方面将从权利要求书以及以下详细描述和附图中显而易见。
图纸的简要说明
现在通过参考附图来描述本发明，附图通过实施例的方式说明本发明的实施方案，其中:
图1是本发明实施方案的氢气储存-压缩系统的示意横截面图，其中通过提供热介质进行加热和冷却；
图2是本发明另一实施方案的氢气储存-压缩系统的示意横截面图，其中通过电阻加热提供所需的加热功率；
图3是本发明另一实施方案的氢气储存-压缩系统的示意横截面图，其中所需要的加热功率是通过电阻加热提供的，该电阻加热具有附加的散热器系统，以确保均匀的温度分布；
图4是图1-图3所示的模块的多容器存储单元的示意横截面图；
图5是图4所示的单元的单个储存-压缩容器的示意横截面图；
图6a和图6b示意出本发明实施方案的氢气储存系统的壳体中的容器的横截面布置；
图7是本发明实施方案的具有不同金属氢化物材料的几个压缩阶段的组合的压力(ln P)与温度倒数(1000/T)的关系图，以实现具有中等温差的高压缩比。
图8是本发明的实施方案中的连接诸如机械气体压缩机或低温泵的设备的氢气储存-压缩系统的示意图，其中来自装置的迷宫式密封泄漏的氢气流被压缩回设备的吸入压力。
本发明实施方案的详细描述
参考图，本发明实施方案的氢气储存-压缩系统1包括耐压壳体2和安装在由壳体形成的腔室16内的一个或多个储存-压缩模块10，所述储存-压缩模块用于流体连接到一个或多个氢源(未示出)和一个或多个氢消耗源(未示出)。可以提供支撑结构(未示出)来支撑壳体内的存储-压缩模块。存储-压缩模块10包括多个存储-压缩容器6，每个容器6包含用于存储氢的金属氢化物MH，将在下文更详细地描述。
氢源例如可以是使用可再生能源的电解槽，用于从水或其它含氢分子中产生氢气。例如，氢消耗源例如可以是用于从氢气产生电力的燃料电池的形式，或用于移动应用的加压储氢罐或用于进一步存储或消耗氢的其它设备。
一种本发明实施方案的氢气储存-压缩系统的应用实施例是将由光伏板产生的太阳能转化为氢气的制氢系统产生的氢气进行存储和压缩。然后，氢气可以作为储存捕获能量的燃料，捕获的能量可以通过不同的能量转换系统(包括燃料电池、内燃机或燃气轮机等)转换成电能、机械能或热能。此外，可以考虑其它替代方案，包括生产不同的气体，例如甲烷或氨，以便于处理和储存。因此，氢气储存系统可以在单个装置中充当缓冲器和压缩机。
本发明实施方案的氢气储存-压缩系统的典型应用的另一个实施例是:
氢燃料汽车加注用氢的储存和压缩
与上述应用相同，电力来自其它来源(风能、水力发电等)。
从化学工艺中作为废物产生的氢的储存和压缩，然后用于发电
将氢用于其它目的的上述任何一种应用，例如，作为化学反应的前体或生
产热能的燃料
迷宫式密封装置中氢气泄漏流的压缩和回注。
根据本发明的一个方面，氢气储存系统1包括连接到壳体2的真空系统18。所述真空系统包括通过真空泵连接线3a连接到所述壳体的腔室16的真空泵19，所述真空泵19被配置成在所述壳体的腔室16内产生真空。
壳体的腔室内的真空可用于一个或多个目的。
在一个实施方案中，真空的产生可用于测试是否存在来自包含氢气的存储-压缩模块10的任何气体泄漏。这种泄漏可以通过直接检测真空系统18的出口流中的泄漏气体来检测和量化。
在一些实施方案中，所述真空测试可以连续或间歇地进行，并且在某些实施方案中，这些测试可以在氢气储存系统初始使用之前和/或在特定间隔(例如计划维护间隔或故障维修之后)进行，以测试氢气储存系统的完整性。
所述壳体2被设置为在所述腔室16中承受通常小于0.1mbar的真空压力，换言之，所述壳体承受至少约1bar的外部压力。
在某些实施方案中，真空系统19可进一步用于减少从氢气储存-压缩容器6表面到壳体2的对流热传递。因此，从加热元件21产生的热能被用于加热氢气容器内容物而不是其周围环境。
在这种系统中，氢气储存-压缩系统1可以包括加热系统20，所述加热系统20包括连接到每个储存-压缩容器6的电加热元件21，用于直接加热所述储存-压缩容器6。
在一个实施方案中，如图2所示，电加热元件21可以安装在存储-压缩容器6内。
在一个实施方案中，如图3所示，电加热元件21可以安装在存储-压缩容器6的外部，并且可以在容器壁上提供导热元件22以传播所产生的热量并降低存储-压缩容器6内的温度梯度。导热元件22可包括高导热材料，如铜或铝。
因此，当在加热阶段或氢解吸吸热过程中施加电加热时，真空阻止了热量通过对流传递到壳体。在氢解吸过程中对储存-压缩容器6进行直接电加热的实施方式如图2所示。在这个实施方式中，在氢吸收阶段的冷却可以通过使用冷却流体的冷却系统24来进行，特别是通过冷却流体接头3c注入到壳体的腔室16中的空气。冷却流体可通过通风机或气泵在壳体的腔室的内部循环，以便产生用于强制对流的流体循环。
本发明的另一个实施方案如图3所示，电加热元件21可以与导热元件22互补，以确保均匀的温度分布。
另一个实施方案如图1所示，加热系统20包括加热流体入口接头3b，以允许在吸热阶段将加热流体(例如蒸汽)注入壳体的腔室16。所述蒸汽可通过由阀门v控制的排液口3d排出。在所示实施方案中，所述冷却系统24可由冷却流体提供，例如通过冷却流体接头3c注入所述壳体的腔室16并通过排液口3d排出的水。然而，可以注意到，用于加热流体的接头也可以用于冷却流体，换言之，可以提供单个入口，例如通过阀门系统在加热流体源和冷却流体源之间切换。也可以有一个用于真空泵和排液的单出口，也通过阀门系统经由阀门系统分别连接到真空泵和排液管路。
存储-压缩模块10可以连接到超压释放系统23，例如，所述超压释放系统23包括减压阀或爆裂片或其它组件，其被配置为在预定的安全阈值下释放存储-压缩容器6内的压力。
通过气体流管5相互连接的多个存储-压缩容器6可以形成多容器单元4，其中每个存储-压缩模块10可以包括一个或多个多容器单元4。每个多容器单元4的多个存储-压缩容器6在直接流体连接中流体互联，容器之间没有任何阀门或压力分离装置，使得它们基本上处于相同的气体压力，从而平行操作以吸收和解吸氢。每个储存-压缩容器6具有腔室13，所述的腔室13含有金属氢化物MH，所述金属氢化物MH被配置为用于储存本领域众所周知的氢。各种金属氢化物，例如PCT/EP2020/059860中所描述的，可以填充在容器中。
与使用单个容器相比，在多个容器中分离一定体积的氢气允许具有高比表面积的小容器，所述小容器可以通过间隔G分离，从而允许在放热和吸热反应期间更好的热传递。此外，通过增加更多的储存-压缩容器6，每个多容器单元4的存储体积可以很容易地扩大，而不会从根本上改变多容器单元4的传热特性和行为。如图4所示，一个多容器单元4的多个存储-压缩容器6可以基本上彼此平行布置，优选地在平面行中对齐。
形成存储-压缩模块10的多个多容器单元4可以一个堆叠在另一个上和/或将一个靠近另一个放置。形成一个或多个存储-压缩模块10的多容器单元4可以有利地以如图6a所示的基本上是方形的布置(如横截面所述)布置，使得它们可以很好地装入在基本上是圆柱形的壳体2内。在本发明范围内，存储-压缩模块的多容器单元还可以以各种其它几何方式布置，以比正方形布置更小的体积占用来填充壳体的腔室16，如图6b所示。通常，尽管如图所示成排布置的储存-压缩容器6的多容器单元4是有利的，但是在本发明的范围内，氢气储存-压缩容器可以以各种其它几何方式布置和互连。
每个储存-压缩容器6包括管状容器壁6a，其一端由端帽6b封闭，另一端由入口帽6c封闭，其包括入口/出口7。
在图5所示的实施方案中，入口/出口7包括基本上位于入口帽中央的孔，所述入口帽被焊接到气体流管5的t形连接管8上。在多容器单元4的一排容器的一端的存储-压缩容器6包括弯头形或L形连接管8c，然而，其余的存储-压缩容器6每个基本上相同并且包括基本上相同的T形连接管8。
每个T形连接管8包括基本上在管状容器壁6a的轴线A的方向上从入口帽6c轴向延伸的帽管段8a和被焊接到帽管段8a的端部横向管段8b。
相邻储存-压缩容器之间的间隔G通过多容器单元4堆叠的流体强制对流，在吸热或放热反应过程中提供良好的传热。
储存-压缩容器的长度，特别是管状容器壁6a的长度，也可以根据需要容易地被设置，以便增加或减少每个多容器单元4的体积，这里也没有实质性地改变传热性能。因此，多容器单元的热行为可以基本上独立于系统的存储体积。
考虑到重量和制造的实用性和经济性，可以使用每个直径D在1.2cm至10cm范围内，优选在2cm至6cm范围内，例如约4.5cm范围内的储存-压缩容器6获得具有金属氢化物的氢储存和压缩最佳热传递过程。
每个储存-压缩容器的实际长度L可在50cm至600cm范围内，但为了制造、安装和维护的实用性，优选在80cm至200cm范围内，例如在60cm至150cm范围内。
所述容器壁材料优选由不锈钢或诸如改性碳钢、铝合金或Cu-Ni合金等其它耐氢钢制成，所述端帽6b、6c例如通过轨道焊接工艺(TiG焊接)焊接到所述管状容器壁6a的相对末端。在制造过程中，首先将端帽6b焊接到管状容器壁6a的一端，然后通过另一端将金属氢化物颗粒填充到容器6的内部体积的约70％至100％，然后可将入口帽6c焊接到管状容器壁6a的另一端。
容器壁、端帽和气体流管优选地由不锈钢制成，但也可以由其它可焊接金属例如改性碳钢、铝合金或Cu-Ni合金制成。在本发明范围内，还可以将复合材料用于容器壁、端帽和气体流管。
入口帽6c在焊接到管状容器壁6a之前，先焊接到T形连接管8上。所述入口帽可进一步包括过滤器9，所述过滤器安装在所述入口帽内，覆盖所述入口/出口7，并被设置为防止金属氢化物颗粒进入所述气体流管5，同时允许氢气通过。
在一个有利的实施方案中，过滤器9由烧结不锈钢圆盘制成，所述烧结不锈钢圆盘可在其外部外围9a焊接到入口帽6c的内侧。鉴于相似的材料，焊接很容易进行。此外，由于入口帽6c和过滤器9使用了类似或相同的材料，因此热膨胀系数相似，焊缝连接坚固，不受高热膨胀力的影响。
在制造过程中，每个储存-压缩容器6将其入口帽焊接到T形连接管上，从而形成一个整体部件，所述整体部件通过将相邻储存-压缩容器的横向管段8b的一端15焊接连接在一起形成焊接连接11。气体流管5也可以由不锈钢或其它耐氢钢制成，其成分和等级与用于入口帽和端帽6c、6b和管状容器壁6a的不锈钢或其它耐氢钢相同或相似。由于气体流管在横向管段8b的端15焊接在一起，因此在制造过程中，根据所需的总体存储容量，可以很容易地添加额外的储存-压缩容器6，这是一种具有成本效益且特别可靠和安全的设置。
所述入口帽和端帽6b、6c可以基本上通过冲压成型工艺形成，其圆形边缘的加工与所述管状容器壁6b形成焊接界面。这也可以确保一个能够承受高压的特别坚固的结构，但其制造经济且相对于所需应用可能需要的体积是灵活的。
一旦将储存-压缩容器6焊接在一起，则多容器单元4具有用于多个储存-压缩容器的单个入口和出口，并且可以通过一个或多个阀门V连接到堆叠中的其它多容器单元4，其之间的间隔在尺寸上类似于单元容器之间的间隔G，为了能够在在吸热或放热反应过程中，在系统2的每个容器周围进行自然或强制对流进行热传递。
可以将多容器单元4的存储-压缩容器6互连成多层，例如两层、三层或四层，以形成具有通向阀门的单个公共入口和出口的单个流体互连的存储单元。然后，这些单元中的多个可以堆叠或彼此相邻放置，或者两者堆叠并彼此相邻放置，以形成氢气储存系统的模块，其中每个单元可以以任何所需的顺序独立地填充和排空，例如如PCT/EP2020/059860中所述。如上述专利申请所述，在不同的单元或模块中也可以具有用于低压和高压操作的不同金属氢化物。
过程描述-质量控制
壳体2能够在真空下进行泄漏测试，而不需要单独的测试设备。泄漏试验可在首次使用氢气储存-压缩系统1之前或在使用氢气储存-压缩系统期间进行。在首次使用之前，可将氦气填充在氢气储存-压缩容器6内，直至至少达到氢气储存-压缩容器所设计的最大操作压力(即“设计压力”)。在某些情况下，甚至需要更高的压力来符合当地的规范和法规(例如，比设计压力高出10％，25％，50％甚至100％)。使用氦而不是氢的原因是为了避免在完成质量测试之前金属氢化物材料的活化。这是整体压力和泄漏试验的第一步，确认了系统在设计压力下的结构完整性。
下一步，操作真空泵19以排出壳体的腔室16中的空气。压力通常降低到小于0.1mbar(绝对压力)。在壳体的腔室的出口流中装有氦气探测器，用于测量氦气浓度。氦探测器可以基于质谱仪。可以根据氦浓度直接测量从氢气储存-压缩容器6到壳体的腔室16的泄漏率。泄漏流量必须低于特定的质量阈值，通常设置为2.0E-6mbar*l/s。
在具有直接电加热的实施方案中，如图1所示，该特征的另一个优点是可以在压缩操作期间连续监测泄漏率，因为壳体的腔室16持续保持在真空状态下。在这种情况下，真空系统18可以对可能的泄漏进行连续监测，并消除了人工检查的需要。泄漏检测器不仅可以监测氦，还可以监测氢—这是质谱仪的典型情况。因此与氢气储存-压缩容器直接暴露于周围环境的氢储存相比，它提高了可靠性和安全性。
操作过程说明-采用直接电加热的实施方式
在一种有利的设置中，例如，可以采用包含多个并联连接的多容器单元4的单个存储-压缩模块10，以便增加流速或确保压缩氢的连续流。整个压缩循环在从最初的供应压力(通常为10-50bar)到输送压力(通常为50-950bar)的单级或多级压缩中进行。以下段落描述了完整的压缩循环，包括以下阶段：(i)加热；(ii)解吸；(iii)冷却和(iv)吸收。下面所示的示例性值适用于在单级和分批配置(不连续氢气压缩)中从35bar(入口)到350bar(出口)的典型压缩循环。
加热温和解吸阶段
在加热阶段开始时，氢气位于氢气储存-压缩容器6的氢吸收金属氢化物材料中，温度如约为30℃，压力如约为35bar。启动电加热系统20、21来提供必要的热功率，以提高系统温度，从而提高系统压力。
在图3所示的实施方案中，热通过由高导热材料(例如铜)制成的散热器传导到金属氢化物上，从而允许快速传热递并使沿轴向和径向的温差最小化。径向方向上的热传导朝着每个氢气储存-压缩容器6的中心进行明显快于在其周围环境中的热传导。这可以通过在封闭氢气储存-压缩容器6的壳体2的腔室16内使用真空来使对环境的热损失最小化来实现。
氢气储存-压缩容器6被加热，例如从p1＝35bar和T1＝30℃分别加热到p2＝350bar和T2＝约150℃。该过程可以在基本恒定的压力(例如p2＝约350bar)和近似恒定的温度(例如T2＝约150℃)下继续解吸氢气。由于解吸反应是吸热的，所以系统需要提供热，直到金属氢化物释放出大部分的氢。
冷却和吸收阶段
在解吸循环结束时，氢气储存-压缩容器6被冷却，例如从T2＝约150℃冷却到T1＝约30℃。在这个冷却阶段，氢气压力从p2＝350bar下降到p1<35bar。通过打开冷却流体接头3c上的阀门V，使真空室充满冷却流体，例如空气。氢气储存-压缩容器的冷却是通过冷却流体的流动来完成的，其中，可以通过风扇或气体压缩机调节流体流体流速并因此调节冷却能力。通过高导热层22进一步增强氢气储存-压缩容器6表面上的高效散热。
在冷却阶段结束时，打开氢气供应，允许氢气在低操作压力(例如p1＝35bar)下流动。由于吸收是放热的，因此需要排除热量，从而使温度和压力基本保持恒定。这可以通过流经冷却流体接头3c的冷却流体(例如空气)来实现。
操作过程描述-包括用加热流体(例如蒸汽)加热和用冷却流体(例如水)冷却的实施方案
在一种有利的配置中，例如，可以采用包含多个并联连接的多容器单元4的单个存储-压缩模块10，以便增加流速或确保压缩氢的连续流。从初始的供应压力(例如通常为10-50bar)到输送压力(例如通常为50-950bar)，整个压缩循环以单个或多个阶段进行。以下段落描述了完整的压缩循环，包括以下阶段：(i)充氢气；(ii)加热；(iii)解吸和(iv)冷却。下面所示值适用于在单级和分批配置(不连续氢气压缩)中从例如约35bar(入口)到约350bar(出口)的典型压缩循环。该实施方案可扩展为多级和/或连续操作，从而能够降低所需的温度并提供连续的氢气。
氢气储存-压缩模块的充氢气
氢气以例如约35bar的压力和例如约30℃的温度从供给线输送。为了保持恒定的压力和温度，在这一阶段，由于吸收反应是放热的，氢气储存-压缩容器必须不断冷却。氢气储存-压缩容器6的冷却是通过容器壁与冷却流体(例如水)的直接接触来实现的，从而提供有效的传热。氢气储存-压缩模块的温度可以通过冷却流体(例如水)流量来控制，冷却流体(例如水)流量优选通过变速泵或控制阀来调节。在充氢气过程完成后，冷却流体(例如水)通过例如设置在壳体2底部的排液口3d从壳体的腔室16排出。
加热
该过程继续将氢气储存-压缩模块10从例如约30℃的温度加热到150℃，同时将压力从例如约35bar增加到350bar。加热是通过加热流体的流动来完成的，例如，有利地，在壳体2的腔室16中注入加压蒸汽，并流过氢气储存-压缩容器6；这利用了水的冷凝焓，并允许在加热过程中保持蒸汽和氢气储存-压缩容器壁之间的高温差。通过调节蒸汽压力，可以实现对供热能力的有效控制。
解吸
然后对模块进行加热，使氢气在例如约350bar的所需压力下排出。与前面描述的相似，有利地，可将加压蒸汽用于该过程。
冷却
这一过程随着氢气储存-压缩容器6的冷却而继续进行。这导致温度从例如约150℃下降到例如约30℃的起始温度。
氢气储存-压缩系统在特定应用中的使用实施例(I)
在许多工业应用中，通过使用所述的迷宫式密封，氢气被限制在一定的体积内。在这种情况下，总是有氢气从密闭体积中泄漏出来。金属氢化物氢压缩机可用于压缩这些泄漏流，并在增加的吸入压力下将其反馈到系统中。该系统的典型应用例如在迷宫式密封往复活塞压缩机26中，或也可在迷宫式密封涡轮压缩机中。这样一个典型的应用如图8所示。从迷宫式密封25流出的氢气流在金属氢化物储存-压缩系统1中被吸收，然后被压缩到吸入压力，以便以等压和无脉动的方式再注入到活塞式压缩机26的吸入流中。金属氢化物氢气储存-压缩系统1可以潜在地用于任何使用迷宫式密封系统的氢气压缩机上。
氢气储存-压缩系统在特定应用中的使用实施例(II)
所述氢气储存-压缩系统的进一步应用可以是在现有的天然气基础设施或加压氢气储存系统中注入氢气。目前使用的是传统的往复式活塞或隔膜式压缩机。然而，这些装置会产生振动和脉冲，这对天然气管道是有害的。所描述的金属氢化物氢气储存-压缩系统可用于压缩氢气，并将氢气等压、无脉动和无振动地输送到现有的天然气管网中。
使用的参考列表:
氢气储存-压缩系统
壳体2
壳体的腔室 16
入口/出口 3
真空泵连接 3a
加热流体接头 3b
加热介质
冷却流体接头 3c
冷却介质
排液口 3d
真空系统 18
真空泵 19
加热系统 20
电加热元件 21
导热元件 22
加热流体入口
冷却系统 24
冷却流体
存储-压缩模块 10
多容器单元 4
储存-压缩容器 6
管状容器壁 6a
端帽 6b
入口帽 6c
进口/出口 7
过滤器 9
外围 9a
储存-压缩容器的腔室 13
金属氢化物MH
气体流管 5
T型连接管 8
帽管段 8a
横向管段 8b
端1 5
焊接连接 11
超压释放系统 23
阀门V
支撑结构 12
控制系统
压力传感器 P
温度传感器 T
阀门 V
自动阀门控制
迷宫式密封往复活塞压缩机 26
迷宫式密封 25
储存-压缩容器直径 D
相邻容器之间的间隔距离 G
容器长度 L
Claims (24)
1.一种氢气储存-压缩系统(1)，其特征在于，所述氢气储存-压缩系统包括壳体(2)、形成至少一个多容器单元(4)的多个储存-压缩容器(6)、和包含在每个储存-压缩容器内的被配置用于氢气储存-压缩的金属氢化物(MH)；所述至少一个多容器单元的多个储存-压缩容器通过气体流管在直接流体连接中相互连接，确保容器内的气体压力基本相同，其中所述多个储存-压缩容器安装在壳体的腔室(16)内，所述壳体被配置为在所述腔室中维持真空以测试所述至少一个多容器单元的泄漏；所述氢气储存-压缩系统还包括真空系统(18)，所述真空系统包括连接到所述壳体的真空泵(19)。
2.如上权利要求任一项所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，所述氢气储存-压缩系统还包括加热系统(20)，所述加热系统被配置为用于对安装在壳体内的每个储存-压缩容器进行加热。
3.如上权利要求所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，所述加热系统包括安装在氢气储存-压缩容器上或内部的电热元件(21)。
4.如上权利要求所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，电热元件(21)安装在氢气储存-压缩容器的一端，导电夹套或层(22)沿储存-压缩容器上延伸，从加热元件延伸向储存-压缩容器的另一端。
5.如权利要求2所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，加热系统包括用于将加热流体注入所述壳体的腔室内的壳体上的加热流体入口(3b)。
6.如上权利要求所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，加热流体是蒸汽。
7.如上权利要求任一项所述的氢气储存-压缩系统，所述氢气储存-压缩系统还包括冷却系统(24)，所述冷却系统被配置为用于对安装在壳体内的每个储存-压缩容器进行冷却。
8.如上权利要求所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，所述冷却系统包括用于将冷却流体注入所述壳体的腔室内的壳体上的的冷却流体入口(3a)。
9.如上权利要求所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，冷却流体是空气或水。
10.如上权利要求任一项所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，每个氢气储存-压缩容器(6)包括管状容器壁(6a)和封闭管状容器壁两端的端帽(6b,6c)，每个氢气储存-压缩容器的管状容器壁的外径D在1.5cm至10cm范围内；其中，所述至少一个多容器单元(4)的多个储存-压缩容器的相邻容器被长度在0.02xD至1xD范围内的间隔(G)隔开。
11.如上权利要求所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，每个氢气储存-压缩容器的管状容器壁的外径D在2cm至8cm范围内，优选在3cm至6cm范围内。
12.如前述的两个权利要求中任一项的氢气储存-压缩系统，其特征在于，储存-压缩容器之间的间隔(G)在0.1xD至0.5xD范围内。
13.如前述的三个权利要求中任一项的氢气储存-压缩系统，其特征在于，储存-压缩容器的长度在60cm至200cm范围内，优选在80cm至150cm范围内。
14.如前述的四个权利要求中任一项的氢气储存-压缩系统，其特征在于，气体流管(5)包括T形连接管(8)，所述T形连接管具有基本上在对应于所述管状容器壁的轴线的轴向方向上延伸的帽管段(8a)和基本上垂直于所述轴向方向延伸并焊接到所述帽管段(8a)的第一端的横向管段(8b)，所述帽管段(8a)的第二端被焊接到所述储存-压缩容器的入口帽(6c)上。
15.如上权利要求所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，横向管段(8b)的端部被焊接到相邻或相对的储存-压缩容器的横向管段的端部。
16.如上权利要求所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，列式储存-压缩容器的一端包括一个从入口帽延伸至相邻储存-压缩容器的横向管段的端部的“L”形或弯头连接管(8c)。
17.如上权利要求任一项所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，所述至少一个多容器单元的多个储存-压缩容器排成一行，容器的轴线(A)彼此平行。
18.如上权利要求任一项所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，每个多容器单元包括一个过滤器(9)，所述过滤器(9)位于覆盖入口/出口(7)的入口帽的内侧，以防止金属氢化物颗粒通过入口/出口逃离腔室。
19.如上权利要求所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，所述过滤器(9)包括或由焊接在其外围至所述入口帽的烧结金属盘组成。
20.如上权利要求任一项所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，多容器单元和气体流管由不锈钢或其它耐氢材料制成。
21.如上权利要求任一项所述的氢气储存-压缩系统，其特征在于，多个多容器单元(4)被布置成多容器单元的堆叠，形成用于在共同压力下容纳氢气的存储-压缩模块(10)。
22.如上权利要求任一项所述的氢气储存-压缩系统用作近等压的供氢系统，以在高压下(优选大于50bar，更优选大于200bar)吸收和解吸氢气，和在基本恒定的压力和最小的温度变化(优选温度变化小于40℃，更优选温度变化范围为20℃至30℃)下解吸氢气。
23.如上权利要求1-21任一项所述的氢气储存-压缩系统，用于将来自迷宫式密封系统的氢气泄漏流压缩至诸如机械气体压缩机或低温泵的设备的吸入压力。
24.如上权利要求1-21任一项所述的氢气储存-压缩系统，用于以无振动、无脉动的方式将氢气供给到气体管网或加压氢气储存系统中。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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