CN1805898A - 储存和运输氢的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种通过使用二氧化碳作为储存介质的储存和运输氢的装置和方法。电解器(20)使用来自可再生能源(15)的能量来通过分解水提供氢。反应器(40)通过反应氢和二氧化碳(70)形成产物。产物(50)运输到消耗区(80)或储存区(85)。可使用储存设备(87)来储存当消耗产物时产生的所保留的二氧化碳(67)。将所保留的二氧化碳运输到反应器区(40)与从氢源提供的氢反应。

Description

储存和运输氢的方法和装置

相关申请的交叉参考

本申请要求在前提交的共同未决美国临时中请No.60/462234的优先权，该临时申请于2003年4月11日提交，在此将其公开内容引入作为参考。

发明领域

本发明涉及用于储存氢的方法和装置。更具体而言，本发明涉及通过使用二氧化碳作为储存介质储存和运输氢。

发明背景

化石燃料，例如甲烷(CH₄)，提供能量但是以产生CO₂排放为代价。可再生能源如太阳能和风提供间歇能量，包括电能，其难以储存，且如此，不易用于补充能量需求。然而，来自可再生能源的能量可用于通过电解水轻易地产生氢。而且，可通过重整烃产品如甲烷或柴油燃料来获得氢。也可通过核能源、电解或蒸汽电解(利用废热)而产生氢。

因此，由于氢对于很多应用而言是丰富且优良的燃料，氢储存已成为研究热点。氢可用于通过使用例如燃料电池的设备来产生电，该设备仅产生水蒸汽作为副产品。氢是有利的燃料，因为燃料电池在利用氢能量含量方面比内燃机在利用柴油燃料或汽油能量含量方面更加有效(大约为40％∶30％利用率)。然而，燃料电池并非成熟技术。而且，在运输氢方面有问题。

存在许多涉及氢储存的困难。尽管氢具有极高的能量/单位质量，但是其甚至在液体形式下都具有极低密度，因此作为燃料体积太大。储存是一个主要问题，特别是对于汽车用途而言，因为该储罐必须置于该车辆上。即使考虑到燃料电池改进的效率，压缩到400倍标准压力的1升氢也仅包含0.24升汽油或柴油的能量值。比上述压缩氢具有更高能量值的1升液化氢稍好一点，等于约0.475升汽油。氢必须被处理到非常冷方能液化，约-423F/-253C，这需要能量输入。被设计用于保持液体氢的罐也是昂贵的。可将氢压缩到660倍大气压或以上，但这需要额外能量，且制备这些罐将非常昂贵。

由于直接储存氢的问题，寻求其它可更容易储存的燃料源。然后对这些化合物加工或重整以释放氢来使用。可重整例如这些包括甲醇、乙醇、甲烷和甚至汽油的化合物来释放氢。该方法的一个问题是二氧化碳被释放，这意味着对于零排放车辆(ZEV)其并非可用策略。而且，这些燃料不能利用可再生能源。

其它化合物例如氢化物可用作保持氢。一些金属氢化物可被加热来释放其氢且随后必须在补充燃料过程中恢复或“再充(recharged)”。其它氢化物，例如硼氢化钠，当暴露于水时释放氢但是在储存材料上留下残渣，其必须被处理以再充。

最后一种氢储存是使用新或异常材料，包括纳米管，来储存氢。这些新材料具有极大的微表面排列，氢可附着到其上并随后释放，产生储存机制。然而，该技术尚未成熟或尚未证明其有效工作。

因此，希望提供一种储存氢的成本有效方式而不需耗费显著能量来压缩或液化该气体。而且，希望提供一种运输氢的成本有效方式。还需要提供一种有效利用可再生能源的方法。最后，提供一种在能量消耗过程中杜绝净二氧化碳排放的能量储存和运输体系是有利的。

发明概要

一种用于运输氢的装置，包括氢源和二氧化碳源。反应器与氢源和二氧化碳源相连，用于使得氢与二氧化碳反应以形成选自烃和氧化烃的产物。管道与该反应器相连，用于运输该产物至消耗区或储存区。管道与消耗区相连，用于运输二氧化碳至反应器区或储存区。

一种运输氢的方法，包括提供氢源和二氧化碳源的步骤。将氢和二氧化碳传导至反应器。氢与二氧化碳反应形成选自烃和氧化烃的产物。产物运输至消耗区或储存区。二氧化碳从消耗区运输至反应器区或储存区之一。

一种通过使用二氧化碳作为储存介质的储存氢的装置，包括氢源和二氧化碳源。反应器与氢源和二氧化碳源相连，用于使得氢与二氧化碳反应以形成选自烃和氧化烃的产物。储存设备与反应器相连，用于储存包含氢的产物。

一种通过使用二氧化碳作为储存介质的储存氢的方法，包括提供一定数量的氢和一定数量的二氧化碳的步骤。氢和二氧化碳传导至反应器以形成选自烃和氧化烃的产物。储存包含氢的产物。

根据分析以下所写说明书、附图和所附权利要求，本发明进一步的目的、特征和优点对于本领域技术人员将显而易见。

附图简述

附图1是根据本领域目前状况的能量利用体系示意图，此处甲烷用作燃料且二氧化碳释放到大气中。

附图2是根据本领域目前状况的能量利用体系示意图，此处可再生能源并未被包括作为燃料源的一部分且二氧化碳释放到大气中。

附图3是能量利用体系示意图，此处将天然和可再生能量转化为氢用于储存，揭示了当天然气转化为氢时二氧化碳释放到大气中。

附图4是相对于将氢从“A”点运输到“B”点，用于将氢从“A”点运输到“B”点的甲烷/二氧化碳回路图解。

附图5是用于将氢从能量产生区输送到能量利用区的二氧化碳回路图解。

附图6是根据本发明原则的操作单元示意图，揭示了与氢源和二氧化碳源相连的Sabatier反应器形成产物，具体而言为甲烷。

附图7是根据本发明原则的装置示意图。

附图8a是根据本发明原则的装置示意图，揭示了氢传输的实施方案。

附图8b是根据本发明原则的可供选择的装置示意图，揭示了氢储存的实施方案。

附图8c是根据本发明原则的可供选择的装置示意图，揭示了二氧化碳储存的实施方案。

优选实施方案描述

先参照附图1，显示了根据本领域目前状况的能量利用体系的示意图。天然气源5，具体而言为天然气井，与气体管道7相连以运输天然气至处于消耗区8的能量使用装置。该能量使用装置将通过燃烧天然气与氧而消耗天然气，从而生成热量并产生作为副产品的二氧化碳和水，假定该燃烧是完全的。

现参考附图2，根据本领域目前状况，显示了附图1的能量利用体系示意图，还包括可再生能源9。因为来自可再生能源的能量如风和太阳能并不持续稳定，所以为了补充能量需求，可再生能源难以利用。可再生能源可轻易地产生电，但仅仅是零星地减少常规电力源的固定负载。来自可再生能源的电也难以大量储存。而且，电通过超过几百英里长的高电压电力线的传输是低效的。因此，所示可再生能源9并未连接于消耗区8的能量使用装置。同时，二氧化碳被释放到大气中，其被怀疑为全球变暖的原因。

现有技术揭示了世界能量体系具有显著缺陷，包括可再生能量缺乏可接受的使用和给世界造成全球变暖威胁的二氧化碳(CO₂)排放物。

期望一种解决该问题的方法，其使得来自可再生能源9的能量容易得到，在价格和数量上稳定且低成本。为体现可再生能源的作用并且为避免CO₂排放，称之为氢经济的解决方案被纳入考虑。

现参考附图3，其显示了能量利用体系示意图，此处天然气和可再生能量转化为氢用于运输。来自可再生能源9的能量转化为电能，其供予电解器(未示出)以将水分解为氢和氧。氢管道7将可再生能源9连接至消耗区8用于运输氢气。重整器(未示出)可用于将来自天然气源5的天然气重整为氢和二氧化碳。氢管道7将天然气源5连接至消耗区8用于运输氢气。

在本实施方案中，可再生能源利用电力通过电解水产生氢。随后氢被传导至消耗装置作为烃燃料替代品。既然氢燃烧的产物是水，则没有二氧化碳产生。此外，化石燃料被重整为氢也符合了能量要求。重整步骤的副产品是二氧化碳。来自重整步骤的二氧化碳需要被俘获或单纯地排出。若二氧化碳被排出，则氢经济不可避免二氧化碳排放；二氧化碳排放仅仅是被延迟而已。

尽管氢经济设定看似在理论上可行，但是其具有很多问题。首先，我们的全部基本设施不得不改变来利用氢作为燃料。其次，氢体积庞大且难以运输或储存。因此，可再生能源只有在该氢基本设施到位之后方可获得。

现参考附图4，显示了用于运输氢的二氧化碳回路25的图解。该回路25通过将氢与二氧化碳反应以形成产品，将氢从点“A”运输至点“B”，在优选实施方案中该产物为甲烷。附图4的图解显示了通过使用二氧化碳作为储存介质，可将氢从点“A”运输至点“B”，将二氧化碳返回以在点“A”“再充”。本发明的前提为：相比于从点“A”运输氢至点“B”，运输二氧化碳和氢之间的反应产物和要与氢反应的 二氧化碳是更加有效的，产物包括烃例如甲烷，或氧化烃例如甲醇。

在任意两个点A和B之间，从A运输1摩尔甲烷到B和从B运输1摩尔二氧化碳到A，比单纯地从A运输相等能量含量的氢到B成本更低。例如，1摩尔二氧化碳与4摩尔氢反应生成1摩尔甲烷和2摩尔水。

尽管本申明看似违反直觉，但是考虑到移动氢的两种主要方法是通过储存罐或通过管线。在储存罐的情况下，众所周知压缩甲烷与氢相比是能量更密集的载体。因此，既定罐的甲烷将比氢在相同压力下保持更多能量。用完之后，氢罐必须空载返回来源以补充燃料。相反甲烷罐在其返回途中装填二氧化碳。二氧化碳随返回容器得以运输。

在管线的情况下，根据能量/单位体积的观点，甲烷密集度比在相同压力下给定体积的氢高两倍以上。给定两管线，第一个含有甲烷，且第二个含有二氧化碳，以相反方向移动，可比其尺寸为甲烷管线两倍以上、仅包含相同压力下的氢的单一氢管线携带更多能量。既然甲烷的能量密度比氢高两倍以上，那么甚至甲烷和二氧化碳气体的总压缩成本低于单独的氢。

通过考虑下列内容可更加正式地支持该申明。氢具有33.90千瓦-小时/千克的能量含量。甲烷具有13.44千瓦-小时/千克的能量含量。1摩尔氢为2克，每千克产生500摩尔的氢。1摩尔甲烷为16克，每千克产生62.5摩尔甲烷。以1摩尔为基础，氢的能量含量是0.0678千瓦-小时/摩尔。而甲烷具有0.215千瓦-小时/摩尔的含量。燃烧1摩尔甲烷产生1摩尔二氧化碳。考虑到二氧化碳，甲烷/二氧化碳的能量含量仍旧为0.1075千瓦-小时/摩尔。其比氢高58％。每摩尔的能量含量是重要的，因为需要压缩气体的工作取决于气体摩尔数量，而非其重量。不希望被理论所束缚，相信甲烷和二氧化碳比氢需要更少的能量来压缩，因为其均比氢具有更高临界温度和更低临界压力。

现参考附图5，显示了用于将氢从反应器区90运输至消耗区80的二氧化碳回路25的图解。产物管道60与反应器区90和消耗区80连接用于运输来自反应器区90的产物，其在本实施方案中是甲烷。二氧化碳管道70与消耗区80和反应器区90连接用于运输来自消耗区80的二氧化碳。

既然在管道中运输甲烷和二氧化碳成本更低，那么氢经济计划可作出调整。不用单一的氢管，而用两根管取代氢管，甲烷的一根从能量产生处导向能量利用处，且二氧化碳的一根从能量使用装置导向能量产生处。

在能量消耗区80，不将二氧化碳排放到大气，而是管道70将二氧化碳运输回反应器区90。大量能量的使用装置经常性地保持CO₂，因此，保持CO₂的能力不是问题；问题在于所保持的CO₂的处理。因此，本领域中任何已知的隔离CO₂的方法均可采用。提供了用于储存和运输氢的装置和方法的本发明也提供了对于CO₂的需求。

现参考附图6，显示了根据本发明原则的操作单元示意图。反应器40，其在本实施方案中是Sabatier反应器，与氢源20和二氧化碳源30相连以形成产物50，具体而言为甲烷。尽管Sabatier反应器在此公开，本领域技术人员将直接认识到可采用任何合适的替代品，包括但不限于光-电解设备。

本发明氢的生产由电解器实现，其通过引入电流分解水而形成副产品氢和氧。例如9千克水将产生8千克氧和1千克水，如下列化学反应所示：

Sabatier反应器，简言之通常是含有催化剂如镍或钌的金属管。氢与所持有的二氧化碳放热反应以产生甲烷和水。由于Sabatier反应器是放热的，能量在该体系中损失。当氢与二氧化碳反应时，约79％的氢能量含量随着热释放平衡被作为甲烷储存。Sabatier反应器释放的一些低级热量可用作其它用途。例如，5.5千克的二氧化碳与1千克氢反应将产生2千克甲烷和4.5千克水，如下列化学反应所示：

大体上，根据在此公开的原则通过使用CO₂作为载体，可再生能在生产甲烷方面是60-80％有效，相对于单独生产氢的效率为70-90％。

现参考附图7，显示了根据本发明原则的装置示意图。来自可再生能源15的能量用于将水转化为氢和氧。如此，可再生能源15通过分解水用作氢源。管道70与反应器(该图中未示出)相连用于将二氧化碳从二氧化碳源运输到反应器。该反应器使得氢与二氧化碳反应以形成产物，其在本实施方案中是甲烷。

管道60将产物运输到消耗区80。在消耗区80产物在氧的存在下被消耗产生作为副产品的水和二氧化碳。在本实施方案中，消耗区80是二氧化碳源，通过反应器将其用于将氢转化为产物，例如烃或氧化烃。如此，将二氧化碳用作氢的储存介质。此外，可再生能源可提供甲烷作为燃料源而非低质量、间歇的电能。以天然气形式的甲烷长期在数千英里长的管线中经济地运输，其中之一从路易斯安那州延至密歇根州。可供选择地，由于电线的电阻损失，电传输几百英里以上是不经济的。而且，二氧化碳并未释放到环境中，这提供了环境利益。

现参考附图8a，显示了根据本发明原则的装置示意图，揭示了氢运输的实施方案。电解器35从可再生能源15接收能量和水产生氢。如此，电解器35是与反应器40相连的氢源。反应器40位于反应器区90，其可以是任意合适区域。二氧化碳源30提供二氧化碳至反应器40。反应器40使得氢与二氧化碳反应形成选自烃和氧化烃的产物50。产物管道60与反应器40相连运输产物50至消耗区80。二氧化碳管道70与消耗区80相连传输二氧化碳至反应器区90。

现参考附图8b，显示了根据本发明原则的装置示意图，揭示了氢储存的实施方案。电解器35从可再生能源15接收能量以给反应器40提供氢源。反应器40结合氢和二氧化碳形成产物50储存于提供于储存区85的罐(未示出)或任意合适设备中。产物管道60可与反应器40相连运输来自反应器区90的产物50至储存区85用于进一步的用途。当能量需求需要产物50用于消耗时，产物管道65可用于传导产物50至消耗区80。

一旦产物50被消耗，来自消耗区80的二氧化碳被传导至储存区87储存于配备在储存区87的罐(未示出)或任意合适设备中。储存区87也可用作二氧化碳源30。

现也参考附图8c，显示了根据本发明原则的装置示意图，揭示了用于二氧化碳储存的可替换实施方案。电解器35从可再生能源15接收能量以给反应器40提供氢源。反应器40结合氢和二氧化碳形成产物50储存于提供于储存区85的罐(未示出)或任意合适设备中。产物管道60可与反应器40相连运输来自反应器区90的产物50至储存区85用于进一步的用途。当能量需求需要产物50用于消耗时，产物管道65可用于传导产物50至消耗区80。

一旦产物50被消耗，来自消耗区80的二氧化碳被传导回反应器40或排出或隔离，取决于控制阀75的状态。可替换地，二氧化碳可从二氧化碳源30(例如燃煤发电器、地下井或乙醇生产设施)提取并由控制阀75引导至反应器40或隔离或排出。应当指出的是本领域中任意合适的储存和提取二氧化碳技术均可用于本发明。

因此，本发明将二氧化碳作为“氢载体”，其在本发明体系中循环流通而非释放到大气。在二氧化碳的捕获昂贵(例如在车辆中)之处，本发明也可允许二氧化碳释放到大气中并且由更容易从非消耗区(例如从乙醇生产设施)获得的二氧化碳代替。

本发明可适于机动车辆，其由本发明形成的产品而非氢开动。为实现该适用性，来自消耗的二氧化碳在使用过程可被保留。可通过提供许多罐使本发明适用于序列车辆(order vehicles)，此处至少一个罐包含本发明形成的产物，且至少另一个罐用于接收二氧化碳。

可通过将含有二氧化碳的罐排空并用甲烷再填充该排空罐从而实现补充燃料。排出的CO₂随后储存或提供到反应器用于生产。本发明的储存和运输体系解决了关于车辆燃料电池、储存液化氢和排放物的问题。

成为第一消耗区的车辆也可将二氧化碳排到大气，只要其被另一来源(如来自乙醇生产)所代替，成为非消耗区，或成为第二消耗区的另一消耗区。车辆也能部分地保留其所产生的二氧化碳，具有所得的回收二氧化碳的部分利益。

应当指出的是尽管在本发明优选实施方案中将甲烷参考为反应氢和二氧化碳形成的产物，但是任意烃或氧化烃都可代替甲烷。

不希望被理论所束缚，相信更复杂的烃例如乙烷、丙烷和丁烷可以是用作氢储存的优选产物，因为同甲烷比氢更致密地储存一样，更致密地储存复杂烃可能比甲烷更容易。

尽管目前的基本设施支持使用天然气，但是罐储存基本设施对于丙烷C₃H₈而言是相当先进的。乙烷C₂H₆看似比丙烷更难储存，且比甲烷生产成本更高。

相信从电解氢形成辛烷C₈H₁₈在成本上更不允许，但是认为是处于本发明范围之内的。尽管相信乙醇不如链烷烃系列CH₄、C₂H₆、C₃H₈，但是认为氧化烃包括乙醇的生产也处于本发明范围之内。

乙烯C₂H₄也可为本发明范围内的产物。既然乙烯具有碳双键，其是链烯烃。液化乙烯或乙烷C₂H₆可储存于约1200psi的室温下，而甲烷是7500psi。通过使用例如Sabatier反应器，也可将乙烯重整为乙烷或丙烷，其可在250psi的室温下储存。

二氧化碳比甲烷重，但是其在低得多的压力压缩下液化。二氧化碳需要压缩到约1000psi来在室温下作为液体被保留。甲烷需要在室温下5000-7500psi的压力来用于高密度储存。氢在室温下不能作为液体储存。

尽管用于从水产生氢的可再生能源在此公开，但应当指出的是本领域中用于氢的任意其它来源都可替代水。

在前面的讨论中公开并描述了本发明优选结构和控制体系。然而，本领域技术人员将很容易认识到根据这一讨论并根据所附附图和权利要求，可作出许多改变、修饰和变化而没有背离本发明真实精神和合理范围。

Claims (23)

1、一种用于运输氢的装置，包括：

氢源；

二氧化碳源；

反应器，其与所述氢源和所述二氧化碳源相连，用于使得氢与二氧化碳反应以形成选自烃和氧化烃的产物；和

管道，与所述反应器相连，用于运输所述产物至消耗区或储存区之一。

2、权利要求1的装置，还包括与消耗区相连的管道，用于运输二氧化碳至反应器区或储存区之一。

3、权利要求1的装置，其中所述反应器是Sabatier反应器。

4、权利要求1的装置，其中所述氢源是水。

5、权利要求4的装置，其中来自可再生能源的可再生能量用于分解水以形成氢。

6、权利要求1的装置，其中所述二氧化碳源是消耗区。

7、权利要求1的装置，其中所述产物是甲烷。

8、权利要求1的装置，其中来自第一消耗区的二氧化碳排到大气且所述二氧化碳源可以是第二消耗区或非消耗区。

9、一种运输氢的方法，包括步骤：

提供氢源；

提供二氧化碳源；

将氢和二氧化碳传导至反应器；

使氢与二氧化碳反应以形成选自烃和氧化烃的产物；和

运输产物至消耗区或储存区。

10、权利要求9的方法，还包括将二氧化碳从消耗区运输至反应器区或储存区之一的步骤。

11、权利要求10的方法，其中所述氢源是水。

12、权利要求11的方法，还包括使用来自可再生能源的可再生能量分解水以形成氢的步骤。

13、权利要求10的方法，还包括在第一消耗区将二氧化碳排到大气中并提供来自第二消耗区或非消耗区之一的二氧化碳。

14、一种通过使用二氧化碳作为储存介质的储存氢的装置，包括：

氢源；

二氧化碳源；

反应器，其与所述氢源和所述二氧化碳源相连，用于使得氢与二氧化碳反应以形成选自烃和氧化烃的产物；和

储存设备，其与反应器相连用于储存该产物。

15、权利要求14的装置，还包括与消耗区相连的管道，用于将二氧化碳运输至反应器或储存设备之一的步骤。

16、权利要求14的装置，其中所述反应器是Sabatier反应器。

17、权利要求14的装置，其中所述氢源是可再生能源。

18、权利要求17的装置，其中来自可再生能源的可再生能量用于分解水以形成氢。

19、权利要求18的装置，其中所述二氧化碳源是消耗区。

20、权利要求14的装置，其中所述产物是甲烷。

21、一种通过使用二氧化碳作为储存介质的储存氢的方法，包括步骤：

提供一定数量的氢；

提供一定数量的二氧化碳；

将氢和二氧化碳导入反应器；

使一定数量的氢和一定数量的二氧化碳反应以形成选自烃和氧化烃的产物；和

储存该产物。

22、权利要求21的方法，其中氢和二氧化碳通过Sabatier反应器反应。

23、权利要求21的方法，其中氢和二氧化碳通过光电解设备反应。

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