TW201840352A - 氫氣儲存及供應系統 - Google Patents

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麥可 F. 雷維
喬恩 歐布拉罕
凱斯登 波爾曼
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瑞士商艾寇斯及艾寇斯公司
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Abstract

一種用以儲存及供應氫氣至一氫氣利用單元之系統，其包含： 一第一氫氣儲存槽，其包含用以藉由吸附暫穩定地儲存氫氣之一第一材料；及 一第二氫氣儲存槽，其包含用以藉由吸附可逆地儲存氫氣之一第二材料； 一氫氣輸出，其由該第一槽輸出至該第二槽及/或該氫氣利用單元； 一氫氣輸出，其由該第二槽輸出至該氫氣利用單元， 以便容許該第一槽供應一第一氫氣流至該利用單元，且容許該第二槽供應一第二氫氣流至該利用單元，該第二流補充及/或取代該第一流。

Description

氫氣儲存及供應系統
本發明係有關於氫氣儲存及供應系統。本發明亦有關於相關方法。
目前有多種氫氣儲存及供應系統。這些系統可包含用以儲存氫氣之至少一固體材料。它可為一暫穩定材料。這種材料儲存相當大量之氫氣。但這種材料必須在使用時加熱以提供顯著之速度。此外，即使在它被儲存時，該暫穩定材料亦會隨著時間經過而一直釋放小量氫氣。
這些系統必須遵守與它們的用途，例如在一機動車輛中使用例如一燃料電池有關之多種限制。
因此需要足夠之儲存容量及速度來確保計畫用途。但是，在啟動時，這速度無法藉由習知系統達到且需要具有一電池。此外，對於氫氣需求之快速及實質增加的情形，必須突然升高該材料之溫度，而這難以達成且可造成氫氣生產過剩。
本發明之一目的在於提供可解決上述缺點中之至少一缺點的一系統。本發明之一目的特別在於提供同時為安全且有效之一系統。
為達此目的，提供一種用以儲存及供應氫氣至一氫氣利用單元之系統，其包含： 一第一氫氣儲存槽，其包含用以藉由吸附暫穩定地儲存氫氣之一第一材料；及 一第二氫氣儲存槽，其包含用以藉由吸附可逆地儲存氫氣之一第二材料； 一氫氣輸出，其由該第一槽輸出至該第二槽及/或該氫氣利用單元； 一氫氣輸出，其由該第二槽輸出至該氫氣利用單元， 以便容許該第一槽供應一第一氫氣流至該利用單元，且容許該第二槽供應一第二氫氣流至該利用單元，該第二流補充及/或取代該第一流。
這些特性係藉由單獨地或以其技術上可能組合中之任一組合採用的以下特性有利地達成： 該系統係組配成容許該第一槽供應該第一流至該第二槽以便用氫氣再填充該第二槽， 該系統係組配成使得至少在一操作位置中，該第一槽、該第二槽及該氫氣利用單元維持流體連通且該第二材料所儲存之氫氣量的演變隨著該氫氣利用單元之氫氣需求被動地被控制， 該第二材料適合形成一氫化物，最好是一金屬氫化物，且最好是LaNi5 、FeTi、TiCr、TiV、TiZr及/或TiMn2 型之金屬氫化物， 該第一材料適合形成一氫化物，最好是一金屬氫化物，例如鋁烷，例如至少一鋁烷相，例如a鋁烷，例如a主鋁烷及/或硼氫烷及/或1,2-二胺硼烷，及/或氫化鋰及/或鋁氫化鋰， 該第二槽係例如組配成在室溫供應該第二氫氣流以容許該利用單元之操作， 由該第一槽輸送至該第二槽及/或該氫氣利用單元之該氫氣輸出具有一防回流閥， 該氫氣利用單元包含一燃料電池及/或一排氣處理系統及/或一氫氣馬達， 對各第二槽而言，該系統包含由該第二槽輸出至該氫氣利用單元之一氫氣輸出及該第二槽之一氫氣輸入，該輸入係與該輸出至少部份地分開， 控制裝置，其組配成實施如下所述之方法。
本發明亦有關於一種用以供應氫氣至一氫氣消耗單元之方法，該方法係藉由依據本發明之系統來實施。
這些特性係藉由單獨地或以其技術上可能組合中之任一組合採用的以下特性有利地達成： 使該第一材料之溫度上升到達一操作溫度， 在該溫度上升前及/或時，由該第二槽供應該第二氫氣流至該利用單元來取代該第一流， 該第一材料到達該操作溫度後，由該第一槽供應該第一氫氣流，且最好停止供應該第二流， 由該第一槽供應該第一氫氣流至該利用單元， 除了該第一流以外，亦由該第二槽供應該第二氫氣流至該利用單元， 藉由該第一槽用氫氣再填充該第二槽， 藉由該第二槽供應該第二氫氣流之至少一步驟結束後，該第二槽具有足夠填充量來實行供應該第二氫氣流之一新步驟。
氫氣儲存及/或供應系統 一般性說明 請參閱圖1，這圖說明一氫氣儲存及/或供應系統100。
該系統100係例如用以儲存及/或供應氫氣例如到至少一氫氣利用單元130之一系統。該系統100係例如用於一裝置之一氫氣儲存及/或供應系統。
該系統100係例如用於一車輛之一氫氣儲存及/或供應系統。該車輛係例如一機動車輛。該機動車輛係例如由例如一燃料電池驅動之一電動車輛。該機動車輛係例如一熱機車輛。
該系統100係例如用於一固定系統之一氫氣儲存及/或供應系統。該固定系統係例如一供電單元，例如一發電機，例如用以供應備用及/或緊急電力之一單元，例如一照明單元，例如用以照明一構造之一單元。例如，該電力供應單元係可攜式。
該系統100包含例如至少一第一氫氣儲存槽110，例如多數第一槽110。該第一槽110包含例如一第一氫氣儲存材料111。
除非另外聲明，第一、第二及其他序數之用語只是用以列舉元件而非強調這些元件間之順序。
該第一材料111可為一固體材料或呈一凝膠形式。該第一材料111可為一吸附及/或吸收儲存材料。該第一材料111可為一加氫及/或脫氫儲存材料。
該第一材料111係例如藉由吸附之一氫氣暫穩定儲存材料。
暫穩定表示在標準壓力場(即，小於200巴)中一直在氫氣脫附狀態中的一材料。
圖3因此顯示在例如鋁烷之一暫穩定材料與例如TiMn2 型之一可逆材料(非暫穩定)間的差異。這圖顯示吸收或吸附或脫附平衡曲線，即，表示吸收或吸附或脫附平衡壓力之曲線，在此情形中在例如80℃之一預定溫度下，這壓力之Nerperian對數隨著在該材料內之例如以一重量百分比表示氫氣濃度變化。在該曲線上方，該材料係在一填充區域中且因此捕捉氫氣。在該曲線下方，該材料在一排放區域中且因此釋放氫氣。應注意的是這圖是示意圖且事實上該等吸收或吸附曲線及該等脫附曲線不一定合併而是保持一類似輪廓及類似數量級。
該可逆儲存材料之平衡曲線通常取決於溫度：溫度越高，平衡壓力越高且該排放區域越大。該曲線具有：一低壓之增加第一段；一平均壓力之第二實質穩定或更稍微增加段；及一再增加高壓之第三段。該第二段通常比200巴低很多。
該暫穩定儲存材料之平衡曲線具有：一低壓之增加第一段；一平均壓力之第二實質穩定或更稍微增加段；及一再增加高壓之第三段。該第二段通常比該可逆儲存材料大很多，例如比200巴大很多，例如數千巴之級數。因此，在平常或操作條件下，該暫穩定儲存材料通常一直在脫附氫氣且未捕捉它之過程中。
該系統100包含例如至少一第二氫氣儲存槽120。該第二槽120包含例如一第二氫氣儲存材料121。該第二材料121係例如藉由吸附之一可逆氫氣儲存材料。
吸附表示一物質被吸收或被吸收在另一物質上或中之過程。吸收表示一材料將分子保持在其體積中之能力。吸附表示一材料將分子保持在其表面之能力。
該第二材料121可為一固體材料或呈一凝膠形式。該第二材料121可為藉由吸附及/或吸收之一儲存材料。該第二材料121可為藉由加氫及/或脫氫之一儲存材料。
可逆表示開始時填充且已部份地排出之一材料可至少部份地再填充在放置該材料之媒介中，例如由氣態二氫構成之一媒介中。
部分再填充可按照慣例定義為在小於或等於200巴之一壓力下，在適合在該考慮壓力下再填充該材料之一溫度範圍內，例如在用以再填充該材料之一最佳溫度再填充，例如以便獲得例如50%之一預定填充速度，例如以便增加例如至少10%之一預定百分比的填充速度。
該系統包含例如由該第一槽輸出至該第二槽及/或該氫氣利用單元之一氫氣輸出1101，且該系統包含例如由該第二槽輸出至該氫氣利用單元之一氫氣輸出1201，例如以便容許該第一槽供應一第一氫氣流至該利用單元，且容許該第二槽供應一第二氫氣流至該利用單元，該第二流補充及/或取代該第一流。
例如，該系統係組配成及/或該第一槽及該第二槽係配置成及/或該第一材料及該第二材料配置成例如當該系統操作時，例如在一第一操作位置時，容許該第一槽110供應該第一氫氣流至該利用單元130。
例如，該系統係組配成及/或該第一槽及該第二槽係配置成及/或該第一材料及該第二材料配置成例如當該系統操作時，例如在該第一操作位置時，容許該第二槽120供應該第二氫氣流至該利用單元130，因此該第二流例如補充及/或取代該第一流。
因此可產生一安全且緊緻之系統，其具有可核實壓力限制準則且具有大氫氣儲存容量並且藉由使用暫穩定儲存材料而為緊緻的該第一槽，同時該第二槽具有解決與使用暫穩定儲存材料相關之問題的一更具反應性之單元。
該單元例如容許該系統啟動時到達足夠供該第一槽使用之溫度。特別地，該第二槽120係適合供應該第二氫氣流以便容許，例如除了該第一氫氣流以外，亦例如在沒有該第一氫氣流之情形下，且例如在室溫下，例如在小於或等於15℃之一室溫，例如小於或等於10℃，例如小於或等於0℃，例如小於或等於-10℃，例如小於或等於-20℃操作該利用單元，例如以便容許啟動及/或操作該利用單元，例如直到該第一槽110可供應足以獨自地操作該氫氣利用單元之一第一流為止。因此，例如當加熱該第一槽時，可在選擇應用之所有可能溫度，例如不適合該第一槽之低溫快速地啟動該系統。
因此可藉由使用需要例如大於或等於90℃之高操作溫度的材料，如形成鋁烷之材料作為例如作為主要儲存的儲存材料來實現在啟動時快速且有效率之一系統。
替代地或另外地，當需求突然增加時，例如當該氫氣利用單元在高需求時或在掃氣時，該單元快速地供應過剩氫氣。特別地，該裝置係組配成線(que)，特別是例如適合該第一材料及該第二材料使得與該第一槽之氫氣需求相關之壓力降造成由該第二槽產生氫氣。
可提供在較低壓有效地作用之一系統，其減少該槽之壁厚度且改善其體積密度及/或其重量儲存密度。
特別地，可在該第二槽中獲得足夠平衡壓力，藉此確保以一高壓及/或一高速度及/或一在該第二材料內之一高氫氣可用性供應氫氣。
替代地或另外地，當通過一冷卻區域時或在未充分加熱該第一槽而使該第一材料冷卻及因此至少暫時減少由該第一槽產生氫氣的情形中，該單元供應一氫氣流。
亦可不需要該第一槽之預熱裝置，或限制該預熱裝置之尺寸，或限制其使用。這是特別有利的，因為可在低溫作用之電池會佔據相當大空間及/或具有用以加熱暫穩定儲存材料之實質質量。這亦簡化該系統，因為特別對包含暫穩定儲存材料之第一槽而言與加熱相關之限制較少，特別是因為不再需要加熱而一定使相同槽突然生產過剩，且這對於該第一槽之加熱及預熱本質上不同之情形尤然。與在預熱時電力有限不同，這更快速地或甚至立即地具有相大之電力。特別是在低溫時，這進一步減少與電熱相關的能量損失。這進一步簡化該系統之控制。
可產生一有效及反應性系統。相對於具有較小效率、高慣性及因此在突然有需要時之低反應性及返回一較少氫氣生產狀態之低反應性的相當大尺寸的一槽，該系統特別有利。由於其效率，該系統可消耗較少能量，例如燃料。
在受到低壓之該第一槽中亦可不需要一超壓釋放閥，或減少與該閥相關之洩漏。在具有更適度尺寸且可設計成具有較大耐受性之該第二槽中亦可不需要超壓閥或釋壓閥，或減少與該閥相關之洩漏。可減少與該等閥相關之氫氣損失及/或在釋放氫氣時，例如當來自該槽之一元件阻斷該閥時的相關安全性風險及/或限制這程序至一緊急狀況。
可不受到該系統之最小及/或最大溫度的限制且這不會造成操作或安全性問題。
亦可對於尺寸作成可對高壓具高耐受性之高穩定槽修改槽設計。這增加體積及/或重量儲存容量，及/或由於比較少材料需要加熱而增加效率及熱傳送，及/或減少該槽及/或如連接裝置之不再需要對高壓具耐受性之與該槽相關的其他元件的重量。
該系統100係例如組配成當該系統操作時，使用該第一槽110再填充該第二槽120。該系統係例如組配成，例如在一第二操作位置時，容許該第一槽110供應該第一流至該第二槽120以便用氫氣再填充該第二槽120。這例如操作該系統直到它完全停止且因為到最後產生之氫氣可被該第二槽捕捉，所以沒有與氫氣生產過剩相關之損失及風險。該系統係例如組配成使得在停止時該第二槽可吸收該第一槽所產生之全部氫氣。
因為需要比較少自動裝置或一運作之操作者的控制，所以該系統比較安全。在該氫氣利用單元未使用產生之氫氣之情形中，例如在停止時亦不需要抽空產生之氫氣。
當該第一槽110無法或不足以適當地確保氫氣需求時，可替代地使用該第二槽120，接著可在固定或較安靜之狀態再填充該第二槽120，以便使用一新的第二槽120。
該第二槽120係例如組配成供應該第二氫氣流及/或隨著在該第二槽內之壓力及/或該系統之壓力而被動地被再填充。該第二槽120係例如組配成供應該第二氫氣流及/或隨著在該第二槽內之壓力及/或該系統之壓力間之壓力差，及該第二材料之平衡壓力，例如該脫附及/或吸附平衡壓力，例如隨著溫度，例如隨著填充速度而被動地被再填充。該第二槽120形成例如該第一槽110對於氫氣需求之一補償單元。
在一預定溫度及預定填充速度之材料的脫附平衡壓力表示施加在該材料上使得氫氣沒有釋放之最小氣體壓力。在無窮小地較低壓力下，氫氣被釋放。
在一預定溫度及在一預定填充速度之一材料的吸收或吸附平衡壓力表示施加在該材料上使得氫氣沒有吸收或吸附之最大氣體壓力。在無窮小地較高壓力下，氫氣被吸收或吸附。
該填充速度係例如以一百分比表示。
該填充速度可定義為在該預定溫度下導入該系統之氫氣質量對該系統可包含之最大氫氣質量的比率。
按照慣例，可定義為在一參考壓力，例如200巴計算該最大質量及因此該填充速度。
氫氣利用單元 該系統100包含例如該至少一氫氣利用單元130，例如多數氫氣利用單元。
該至少一氫氣利用單元130係或包含例如一氫氣消耗單元。
該至少一氫氣利用單元130係或包含例如用以處理例如在一排氣管之區域中來自一馬達之氣體的一系統。
該至少一氫氣利用單元130係或包含例如一燃料電池，例如一質子交換膜燃料電池。
該至少一氫氣利用單元130可包含該燃料電池及/或適合由該燃料電池驅動之一電動馬達。該至少一氫氣利用單元係或包含例如一氫氣馬達，例如適合供應氫氣之一熱機，例如一內燃機引擎及/或一混合動力引擎。
該系統係例如組配成使得該第一槽110及/或該第二槽120可用氫氣供應該氫氣利用單元。該氫氣利用單元具有例如大於或等於1.5巴，例如2.5巴，例如5巴，例如10巴之一輸入壓力。
流體連接 該第一槽110及/或第二槽120及/或該氫氣利用單元130例如流體地連接，例如如圖1所示。
「在二元件間之流體連接」表示適用於使該等二元件流體連通之全部流體連通裝置。該流體連通裝置可例如包含一或多數管及/或一或多數閥。
例如，該第一槽110及該第二槽120流體地連接，例如使得該流體連接可選擇地被阻斷。例如，該第二槽120及該氫氣利用單元130流體地連接，例如使得該流體連接可選擇地被阻斷。
該第二槽120係例如設置在該第一槽110與該氫氣利用單元130之間，該第一槽110及該氫氣利用單元130透過該第二槽120流體地連接。
該系統100包含例如由該第一槽110輸出至該第二槽120及/或該氫氣利用單元130，例如透過該第二槽120至該氫氣利用單元130之氫氣輸出1101。該輸出1101係例如具有輸出阻斷裝置1102，該輸出阻斷裝置1102包含例如一閥，例如可在一開啟位置與一關閉位置間移動之一電磁閥。在該開啟位置，該輸出1101允許氫氣由該第一槽110流出。在該關閉位置，該輸出1101不允許氫氣由該第一槽110流出。或者，該輸出1101例如沒有阻斷裝置。該輸出1101包含例如一或多數管及/或一或多數壁。該輸出1101可具有一防回流閥，例如以便防止任何氫氣由該第二槽120及/或該氫氣利用單元130返回。該輸出1101形成在該第一槽110與該第二槽120間之一流體連接，例如一直接流體連接，例如使得當該阻斷裝置1101在一開啟位置時或當該輸出1101沒有阻斷裝置時，該第一槽110內之壓力實質等於該第二槽120內之壓力。
該系統100包含例如由該第二槽120輸出至該氫氣利用單元130之一氫氣輸出1201。該輸出1201形成例如來自該第一槽110之該第二槽120的一氫氣輸入。決定該輸出之行為係一輸出或一輸入之行為的是例如該壓力。替代地或另外地，來自該第一槽110之該第二槽120的氫氣輸入可與該輸出1201至少部份地分開。該輸出1201係例如具有輸出阻斷裝置1202，該輸出阻斷裝置1202包含例如一閥，例如可在一開啟位置與一關閉位置間移動之一電磁閥。在該開啟位置，該輸出1201允許氫氣由該第二槽120流至該利用單元130。在該關閉位置，該輸出1201不允許氫氣由該第二槽120流出。該輸出1201包含例如一或多數管及/或一或多數壁。該輸出1201包含例如一壓力感測器1203，該壓力感測器1203係例如設置在該第二槽120與該阻斷裝置1202之間。
該系統110包含例如來自該第一槽110及/或該第二槽120之該氫氣利用單元130的一氫氣輸入1301。該輸入1301形成例如該輸出1201。該輸入1301例如具有輸入阻斷裝置1302，該輸入阻斷裝置1302包含例如一閥，例如可在一開啟位置與一關閉位置間移動之一電磁閥。該阻斷裝置1302形成例如該阻斷裝置1202。在該開啟位置，該輸入1301允許氫氣流至該消耗單元130。在該關閉位置，該輸入1301不允許氫氣流至該消耗單元130。該輸入1301可具有計量裝置，且該輸入阻斷裝置1302形成該計量裝置或該計量裝置與該輸入阻斷裝置1302分開。該輸入1301包含例如一或多數管及/或一或多數壁。該輸入1301可具有一防回流閥，例如以便防止任何氫氣由該氫氣利用單元130返回。
該第二槽120包含與該第一槽110分開之例如氫氣再填充裝置。該分開之氫氣再填充裝置包含例如一專用輸入，且該專用輸入包含例如一或多數管及/或一或多數壁。該專用輸入例如具有專用阻斷裝置，該專用阻斷裝置包含例如之一閥，例如一電磁閥，且例如可至少在一開啟位置與一關閉位置間移動。
該第一槽110、該第二槽120及該氫氣利用單元130例如流體地連接使得，至少在一操作位置該第一槽110、該第二槽120及該氫氣利用單元130維持流體連通。該系統因此配置成使得壓力在該第一槽110及該第二槽120內相同，且該氫氣利用單元130之壓力可影響該第一槽110及該第二槽120內之壓力。
槽可分離性 該第一槽110係例如可分離。
該第二槽120係例如不可分離。可分離表示它可在不分解該系統之其他部份而使它沒有功能之情形下取代。不可分離表示它不可在不分解該系統之其他部份而使它沒有功能之情形下取代。或者，該第二槽120係例如可分離以便輕易取代。
在該第一與第二槽110與120間之流體連接因此在不停止例如該裝置，例如該車輛之操作的情形下，或在該第二槽120不可分離之情形下，例如再填充該第二槽120。
該第一槽之尺寸可作成與該第二槽分開，如此可簡化該系統之尺寸作成及增加該第一槽之緊緻性，這在後者可分離時特別重要。
多數第二槽 該系統可包含多數第二槽120。該第一槽110及/或該等第二槽120及/或該氫氣利用單元130例如流體地連接。
槽 該第一槽110包含例如一第一外殼112，該第一材料111係例如放置在該第一外殼112內。
該第二槽120包含例如一第二外殼122，該第二材料121係例如放置在該第二外殼122內。該第二外殼122具有例如比該第一外殼112高之抗壓性。
氫化物 該第一材料111包含或係一氫氣儲存材料，例如以便形成一氫化物，最好是一金屬氫化物，例如鋁烷，例如至少一鋁烷相，例如a鋁烷，例如a主鋁烷，及/或硼氫烷(BH6 N)及/或1,2-二胺硼烷(亦稱為EDAB，BH3 NH2 CH2 CH2 NH2 BH3 )，及/或氫化鋰(LiH)及/或鋁氫化鋰(LiAlH4 )。
該第一材料111包含例如一粉末。
該第二材料121包含或係例如適合形成一氫化物，例如一金屬氫化物之一氫氣儲存材料。
該第二材料121包含或係例如一金屬合金，該金屬合金適合例如在室溫形成一氫化物。
該第二材料121包含例如一粉末。
該第二材料121可包含或由一金屬合金構成，例如An Bm 型之一金屬間化合物，其中A與B係金屬化學元素，且n與m係大於或等於1之自然數，例如ABm 型之AB2 或AB5 ，例如An B型之A2 B，例如AB。
該第二材料121可包含或由一金屬合金構成，其例如包含鐵及/或釩及/或鈦及/或鋯及/或鎂。該第二材料121可包含或由LaNi5 及/或FeTi及/或TiCr及/或TiV及/或TiZr及/或TiMn2 型之至少一合金，及/或該(等)對應氫化物構成。該第二材料121亦可包含或由NaAlH4 及/或LiNH2 及/或LiBH4 型之至少一氫化物，該(等)對應脫氫形式構成。該第二材料121可包含或由Ti(1-y) Zry (MnVFe)2 型之一合金構成，且y大於或等於0且y小於或等於1。
該第二材料121可特別地包含或由該合金構成，該第二材料121具有在1%與15%之間，例如在1%與10%之間，例如實質等於3%之一鋯質量分率。使用該等質量分率特別適合與用於一車輛之燃料電池相關的應用。
加熱裝置 該系統100包含例如該第一材料111之專用第一加熱裝置113，例如一加熱器，例如一電阻器，例如一熱交換器。因此可在該第二槽供應必要氫氣時加熱該第一槽，接著使用該第一槽作為該氫氣利用單元之氫氣的主要或唯一來源及/或用以再填充該第二槽。
該第一加熱裝置113例如適合由該氫氣利用單元130接收操作它們所需之全部或某些能量或熱。該熱例如藉由一熱交換器由該氫氣利用單元130直接供應至該第一槽110。當該氫氣利用單元130係一燃料電池時，該熱包含或由例如來自該氫氣利用單元130內發生之還原的熱構成。該熱包含或由例如來自該排氣管及/或來自一熱機，例如一氫氣馬達之熱構成。該熱包含或由例如來自選擇觸媒還原之一反應及/或一馬達，例如一氫氣馬達之操作的熱構成。替代地或另外地，該能量係例如該氫氣利用單元130所產生之電能，且該加熱裝置113包含至少一電阻器。
特別地，該系統可組配成使得在一預定環境溫度下，該第二槽120以一足夠量及/或以一速度及/或期間供應氫氣至該氫氣利用單元130以容許藉由該第一加熱裝置113加熱該第一槽110，特別由一環境溫度，特別加熱到使氫氣可由該第一槽110脫附之一操作溫度，特別以便容許在未由該第二槽120供應氫氣之情形下操作該氫氣利用單元130。該系統可特別組配成使得在一預定環境溫度下，該第二槽以大於至少20%，例如至少40%，例如至少100%，例如小於300%之量，以該必要能量及/或電力及/或速度供應氫氣。因此可為數次連續使用提供足夠裕度。
該第一外殼之操作溫度係例如該第一材料111之氫氣的釋放速度足以供應該氫氣利用單元130時的一溫度。在該氫氣利用單元130之輸入的壓力係例如小於或等於10巴，例如小於或等於6巴，例如小於或等於5巴。該第一材料111之公稱操作溫度係例如在60℃與300℃之間，例如在80℃與200℃之間，例如大約150℃。該開始溫度係例如在-40℃與80℃之間，例如在-30℃與50℃之間，例如由大約-20℃開始。
該系統100可例如包含該第二材料121之專用第二加熱裝置123，例如一加熱器，例如一電阻器，例如一熱交換器。它可更快地供應大量氫氣，例如以便加速該氫氣利用單元130之操作。
該第二加熱裝置123例如適合例如在啟動該系統時，接受它們操作該氫氣利用單元130所需之全部或某些能量或熱。該熱例如藉由一熱交換器由該氫氣利用單元130直接供應至該第二槽120。當該氫氣利用單元130係一燃料電池時，該熱包含或由例如來自該氫氣利用單元130內發生之還原的熱構成。該熱包含或由例如來自該排氣管及/或來自一熱機，例如一氫氣馬達之熱構成。該熱包含或由例如來自選擇觸媒還原之一反應及/或一馬達，例如一氫氣馬達之操作的熱構成。替代地或另外地，該能量係例如該氫氣利用單元130所產生之電能，且該加熱裝置123包含至少一電阻器。
該第二加熱裝置123包含例如適合藉由周圍熱供應該第二槽120之一風扇。
冷卻裝置 該系統100包含例如該第二材料121之專用第二冷卻裝置125，例如一冷卻單元。該第二加熱裝置123形成例如該第二冷卻裝置125。該冷卻係例如藉由循環一冷卻流體，例如空氣及/或藉由帕耳帖(Peltier)效應達成。
該第二槽120具有例如小於該第一槽110之氫氣儲存容量的一氫氣儲存容量。該第二槽120具有例如小於或等於該第一槽110氫氣儲存容量之50%，例如小於或等於30%，例如小於或等於20%的一氫氣儲存容量。該第二槽120具有例如大於或等於該第一槽110氫氣儲存容量之10%的一氫氣儲存容量。
該第二槽120具有例如小於該第一槽110之一體積。該第二材料121具有例如小於該第一材料111之一體積。事實上，因為該第二槽只使用有限之時間，所以其容量及因此其容積可有限。這亦藉由減少它關於安全性之風險而有效地決定它的尺寸。依此方式，不需要藉助使用一閥而涉及氫氣損失，或在任一情形中可限制這閥之用途於特定情形。此外，亦可相對會涉及隨時間且在溫度變化時有大量損失之一電池，減少能量損失。
操作條件 該第二材料121例如適合例如依據該利用單元，例如來自如下所述之控制裝置的一需求，在小於或等於0℃之一溫度Tmin ，例如小於或等於-10℃，例如小於或等於-20℃，例如在1與15巴之間，例如對一燃料電池而言在1與10巴之間，例如對一內燃機或熱機而言在5與15巴之間，例如對施加氣體處理而言在1與2巴之間的一壓力下，例如在1巴等級之周圍壓力下供應氫氣，例如以便容許操作該利用單元130。
該第一槽110，例如該第一外殼112例如適合耐受具有在1與100巴間，例如在1與50巴間，例如在1與25巴間之一值的內壓力，且該壓力係相對及/或絕對壓力。
該第一槽110，例如該第一外殼112例如適合耐受具有在60℃與300℃間，例如在80℃與200℃間，例如大約150℃之一值的溫度。
該系統100例如適合使得該第一槽110及/或該第一外殼112只受到小於或等於100巴，例如小於或等於50巴，例如小於或等於25巴之壓力。
該第二槽120具有例如明顯小於該第一槽110之質量的一質量。該第二材料121具有例如明顯小於該第一材料111之質量的一質量。
該第二材料121在該第二外殼122中之填充程度係例如大於或等於該第二外殼122之體積的5%，例如25%，例如50%。
該第二槽具有例如公稱操作之一操作溫度，例如大於或等於10℃，例如小於或等於15℃，例如小於或等於20℃。
該第二槽120，例如該第二外殼122例如適合耐受具有在20與130巴間，例如在50與110巴間，例如在70與90巴間，例如大約80巴之一值的內壓力，且該壓力係相對及/或絕對壓力。
該第二槽120，例如該第二外殼122例如適合耐受具有在40℃與120℃間，例如在50℃與90℃間，例如在60℃與85℃間之一值的溫度。
過濾裝置 該第一槽110及/或該第二槽120可包含具有進入及/或離開之氣體顆粒的過濾裝置，例如一或多數過濾器。
熱傳送 該第一槽110及/或該第二槽120具有例如用以快速熱傳送之內部架構。
控制裝置 該系統可包含控制裝置170，例如一控制單元。該控制裝置可包含至少一處理器及/或一RAM及/或一ROM及/或顯示裝置，例如一終端機。
該控制裝置170可包含適合例如即時測量及提供該系統狀態之一或多數測量值的一或數個感測器。該控制裝置170可包含該第一槽之一第一溫度感測器114，及/或該第二槽之一第二溫度感測器124，及/或該氫氣利用單元之一第三溫度感測器134及/或該壓力感測器1203。該控制裝置170可包含該第一槽之一第一壓力感測器114，及/或該第二槽之一第二壓力感測器124，及/或該氫氣利用單元之一第三壓力感測器134。該控制裝置170可包含該第一槽之一第一氫氣濃度感測器114及/或該第二槽之一第二氫氣濃度感測器124。
該控制裝置170例如組配成可藉由控制在該第一槽110及/或該第二槽120內之壓力，例如藉由控制供應熱至該第一槽110及/或該第二槽120來控制該第一槽110及/或該第二槽120之氫氣填充狀態。
該控制裝置170可例如控制該第一槽110，例如該第一加熱裝置113。該控制裝置170可例如控制該第二槽120，例如該第二加熱裝置123。該控制裝置170可例如控制該冷卻裝置125。該控制裝置170可例如控制該氫氣利用單元130。該控制裝置170可例如控制該阻斷裝置1102。該控制裝置170可例如控制該阻斷裝置1202。該控制裝置170可例如控制該阻斷裝置1302。
該控制裝置係例如組配成可實施如下所述之一方法。
替代地或取代地，該系統係組配成使得由該第二材料儲存之氫氣量的演變可隨著該氫氣利用單元130之氫氣需求被動地被控制。依此方式，透過材料之選擇，特別是該第二材料，可提供只有壓力管理需要控制之一系統。
特別地，該控制裝置係例如組配成可控制該系統以便放置或保持它使得該第一槽110、該第二槽120及該氫氣利用單元130如前所述地維持流體連通，及藉由例如透過該第一加熱裝置113固定氫速度之一控制來供應該第一槽。在該位置，若該氫氣利用單元130之氫需求改變，該氫氣利用單元130會使該系統中之壓力改變，且藉由該第二槽120產生氫或捕捉氫會由於該第二槽120內之壓力變化的真正傳送而改變，以便隨著該第二材料121之溫度、該第二材料121之填充速度及該第一槽110所提供之速度來調整該氫之產生及重設一預定壓力。例如，因為該氫氣利用單元130，所以例如由於該氫氣利用單元130之掃氣產生的一壓力下降會造成由該第二槽120供應過剩氫氣，同時該第一槽110之速度保持實質地不變。
燃料電池 請參閱圖1，這圖說明該氫氣利用單元130包含或係一燃料電池之系統100。該系統100因此係用以儲存及供應氫氣至例如用於一裝置，例如用於一車輛或一固定裝置之一燃料電池的一系統。在此亦說明包含該系統100之一燃料電池系統。
該燃料電池係例如一質子交換膜燃料電池。該燃料電池例如適合輸出足供一預定應用使用之一公稱電力。
排氣管 該氫氣利用單元130可包含或係用以藉由選擇觸媒還原來處理排氣之一排氣管或一裝置。該系統100係用以儲存及供應氫氣至用於一裝置，例如用於一車輛或一固定裝置之一排氣管及/或一觸媒的一系統。在此亦說明用以由例如包含該系統100之一車輛或一固定裝置的一裝置排氣的一系統。
熱機 該氫氣利用單元130可包含或係一熱機。可用氫氣直接供應該熱機。該系統100係用以儲存及供應氫氣至例如用於一車輛或一固定裝置之一熱機的一系統。在此亦說明用以藉由包含該系統100之一車輛或一固定裝置之一熱機供應能量的一系統。
方法 請參閱圖2，這圖說明用以供應氫氣至例如上述之一氫氣消耗單元的一方法。該方法例如適合藉由上述系統100實施或藉由上述系統100實施。
所述各步驟可重複一或多次或若組合在技術上可行則與所述步驟之一或多數其他步驟組合。
該方法係或包含例如用以啟動該系統之一方法及/或用以例如在操作時利用該系統之一方法。
該方法包含例如藉由該控制裝置170接收用於該利用單元130之一氫氣需求，及/或計算該利用單元130之一氫氣需求的一步驟。
下述步驟係例如在該控制裝置170之控制下及/或隨著該氫氣需求實行。該氫氣需求係例如以固定間隔，例如即時地更新。
該方法包含例如用於使該第一材料111之溫度上升，例如至該操作溫度之一步驟800。
該方法包含例如在步驟800時及/或在該第一材料111之溫度上升時實行的一步驟802。步驟802包含例如藉由該第二槽120供應該第二氫氣流至該利用單元來取代該第一流。
該溫度上升係例如藉由該第一加熱裝置113實行。該第一加熱裝置113接受它們操作該利用單元130所需之全部或某些能量或熱，該熱例如部份地或全部地來自該利用單元130之廢熱。
該方法可包含，例如在與步驟800及/或802之至少一部份的同時，未供應該第一流及/或藉由該第一阻斷裝置1102阻斷該輸出1101之一步驟8001。
該方法可包含，例如在與步驟800及/或802之至少一部份的同時，例如在步驟8001後，用以供應該第一流，例如增加該第一流及/或減少該第二流，且例如該第一流保持小於一預定公稱流及/或該第一材料之溫度小於一公稱溫度，及/或藉由該第一阻斷裝置1102解除該輸出1101之阻斷的一步驟8002。
該方法可包含，例如該第一材料到達該公稱操作溫度後，藉由該第一槽110供應該第一氫氣流至該利用單元130之一步驟804。該方法可包含例如在與該步驟804同時或在步驟804開始後，停止供應該第二流至該利用單元130的一步驟806。
當該第一槽尚未準備好回應操作該利用單元所需之氫氣需求時，例如啟動該系統時可啟動或操作該系統。
該方法因此包含例如用以啟動該系統之一步驟，且該啟動步驟包含步驟800及/或802及/或8001及/或8002。
在該啟動步驟結束後，考慮例如在一預定溫度，例如在室溫，例如在20℃下，該第二槽120可填充小於或等於該第二槽120之最大氫氣容量的50%，例如小於或等於40%，最好小於或等於30%。例如當該利用單元欲使用該第一材料選擇地釋放之氫氣時，例如停止該系統時，該第二材料可吸收這氫氣。
最大容量表示對應於在一預定溫度下100%之一填充速度的容量。
該方法亦可包含用以藉由該第一槽110用氫氣再填充該第二槽120的一步驟810。因此可用氫氣再填充已在前一步驟中使用之該第二槽。
步驟810係例如在與由該第一槽110供應該第一氫氣流至該利用單元130之同時實行。因此可維持該利用單元130之正常操作，同時為可能需要使用該第二槽120之新特定控制做好準備。步驟810接著實施例如至該第二槽120之一預定填充程度，例如以便找出相當於如下所述地最後實施一步驟808前的在該第二槽120內之氫氣含量，例如在一預定溫度，例如50℃，例如20℃下，例如小於或等於該第二槽120之最大氫氣容量的50%，最好40%，最好30%，最好大於或等於10%，例如大於或等於15%，例如大於或等於25%。
該方法可包含藉由該第一槽供應該第一氫氣流至該利用及供應單元且除了該第一流以外亦藉由該第二槽供給該第二氫氣流至該利用單元的一步驟808。步驟808係例如在該第一槽110產生過度需求，即該第一槽在氫氣流方面無法滿足或超出該公稱氫氣流之一需求時實施。可同時組合該等二氫氣流以便例如在掃氣時，回應氫氣之一特別大及/或突然需求。步驟808係例如由前述及/或下述步驟實施以下一或多數個步驟。步驟808係例如在停止該第二流之一步驟後。
在藉由該第二槽供應該第二氫氣流之至少一供應步驟，例如步驟800，例如8001及/或8002及/或810結束後，該第二槽可具有足夠填充量來實行供應該第二氫氣流之一新步驟。即使該第二槽120尚未再填充或只在同時部份地再填充，亦可連續使用它數次。考慮例如在一預定溫度，例如在室溫下，該填充量係例如大於或等於該第二槽120之最大填充量的50%，例如大於或等於30%。或者，該第二槽無法具有足以實行供應該第二氫氣流之一新步驟的填充量，該方法係取決於藉由該第一槽再填充。
該方法可更包含用以藉由該第一槽110用氫氣再填充該第二槽120之一步驟812。因此可用氫氣再填充已在前一步驟中使用之該第二槽。
步驟812係例如在沒有及/或減少藉由該第一槽110供應該第一氫氣流至該利用單元130的同時實行，例如在沒有該利用單元130之一使用控制時及/或沒有使用該利用單元130時實行。
因此，可在該利用單元不再需要氫氣供應時為可能需要使用該第二槽120之新特定控制做好準備。
該方法可包含停止例如藉由該第一槽110供應氫氣至例如該利用單元130的一步驟，該停止步驟包含例如步驟812。因此可獲益於在該供應步驟結束後由該第一槽必然地產生氫氣。
該方法可包含停止該利用單元130，該停止步驟包含例如步驟812。
該方法可包含停止該系統之一步驟，該停止步驟包含例如步驟812。因此可例如在下一次啟動時，例如藉由為可能需要使用該第二槽120之新特定控制做好準備來實行停止該系統之一步驟。
該方法可包含自動地控制該第二槽120所儲存之氫氣量的一步驟，以便維持及/或使該第二槽儲存之氫氣含量低於某一臨界值，例如以便維持及/或使該第二槽儲存之氫氣含量高於某一臨界值，例如以便維持及/或使該第二槽儲存之氫氣含量在某一臨界值。該控制係例如只在操作狀態下實行，且該操作狀態係在該啟動步驟與該停止步驟之間。因此除了啟動、停止及/或有實質需求以外，亦可在有實質需求時產生留一有限氫氣儲量，且保持低到足以吸收在停止時釋出之氫氣的程度。
該控制可包含在該操作狀態時限制該第二槽120之使用，例如限制一或多數步驟808之實施。
該控制步驟之目的在於例如考慮例如在一預定溫度，例如在室溫，例如20℃下，維持或使該第二槽120所儲存之氫氣量最好在該第二槽120之最大氫氣容量的10與90%之間，例如在15與85%之間，在20與80%之間，且這控制係例如在該啟動步驟及/或該操作相及/或該停止步驟時實行。
該控制步驟之目的在於例如維持或使該第二槽120所儲存之氫氣量在或到達低到足以吸收在停止該系統時該第一槽110釋出之第一氫氣流的一程度，最好在或到達小於或等於該第二槽120之最大氫氣容量的50%，最好40%，最好30%的一程度，最好在或到達大於或等於10%，例如15%，例如25%的一程度。這控制係例如在該操作狀態時實施。
該方法可包含自動地控制該第二槽120內之溫度的一步驟，例如以便維持及/或使該溫度在或低於某一臨界值及/或高於某一臨界值，例如以便維持及/或使該第二槽所儲存之氫氣含量在一預定值，且例如具有小於或等於20℃，例如小於或或等於15℃，例如小於或或等於10℃之一容許度。
該控制步驟之目的在於例如維持或使該第二槽120內之溫度例如在10與50℃之間，最好在15與50℃之間，最好在20與50℃之間。
自動控制之步驟包含例如隨著該氫氣利用單元之氫氣的需求被動地控制該第二材料121所儲存之氫氣量的一步驟。該被動控制步驟例如在該第一槽、該第二槽及該氫氣利用單元維持流體連通之該操作位置實行。
該被動控制步驟包含例如在這操作位置移動或保持該系統在這操作位置。
該被動控制步驟包含例如藉由該第一加熱裝置主動控制該第一槽110之供應速度為固定。
該被動控制步驟包含例如藉由該第二加熱裝置主動控制供應固定熱至該第二槽120及/或在固定溫度加熱該第二槽120。
該被動控制步驟包含例如隨著由於該氫氣利用單元130產生之壓力變化被動地控制該第二槽120供應或捕捉氫氣。
該被動控制步驟可包含實施步驟804及/或806及/或808及/或810及/或812。因為例如藉由一固定控制來簡單控制該第一槽及亦對該第二槽提供一簡單加熱控制使得該系統本身隨著該氫氣利用單元之需求而作用及調整就可以了，所以這實施特別容易。
請參閱圖2，這圖說明在實施該方法時該系統之一行為例。
在一第一圖31上，這圖顯示來自該第一槽110之氫氣流311及來自該第二槽120之氫氣流312，及氫氣需求313。該氫氣流係以一百分比表示，100%對應於該系統組配成透過分別採用之第一槽110或第二槽120供應的公稱流。
在一第二圖32上，這圖顯示按巴計之壓力321，該壓力例如在該第二槽120中及/或與該氫氣利用單元130共通及/或例如與該等二槽110與120共通及/或與該氫氣利用單元130共通。
在一第三圖33上，該第一槽110內之溫度331及該第二槽120內之溫度332係以攝氏顯示。
在一第四圖34上，該第一槽110內之氫氣341含量及該第二槽120內之氫氣填充速度342係以百分比顯示。
圖31至34顯示例如一第一狀態8001，接著是一步驟8002，接著是用以實行步驟804、806與810之一狀態，接著是用以實行步驟808之一步驟，接著是用以實行步驟804、806與810之一狀態，接著是一停止步驟812。
31‧‧‧第一圖
32‧‧‧第二圖
33‧‧‧第三圖
34‧‧‧第四圖
100‧‧‧(氫氣儲存及/或供應)系統
110‧‧‧第一(氫氣儲存)槽
111‧‧‧第一(氫氣儲存)材料
112‧‧‧第一外殼
113‧‧‧第一加熱裝置
114‧‧‧第一溫度感測器；第一壓力感測器；第一氫氣濃度感測器
120‧‧‧第二(氫氣儲存)槽
121‧‧‧第二(氫氣儲存)材料
122‧‧‧第二外殼
123‧‧‧第二加熱裝置
124‧‧‧第二溫度感測器；第二壓力感測器；第二氫氣濃度感測器
125‧‧‧(第二)冷卻裝置
130‧‧‧(氫氣)利用單元；消耗單元
134‧‧‧第三溫度感測器；第三壓力感測器
170‧‧‧控制裝置
311,312‧‧‧氫氣流
313‧‧‧氫氣需求
321‧‧‧壓力
331,332‧‧‧溫度
341‧‧‧氫氣
342‧‧‧氫氣填充速度
800,802,804,806,808,810,812,8001,8002‧‧‧步驟
1101,1201‧‧‧(氫氣)輸出
1102,1202‧‧‧(輸出)阻斷裝置
1203‧‧‧壓力感測器
1301‧‧‧(氫氣)輸入
1302‧‧‧(輸入)阻斷裝置
本發明之其他特性及優點可由一實施例之以下說明呈現。在附圖中： 圖1顯示依據本發明之一示範實施例的一系統例， 圖2顯示在實施依據本發明一示範實施例之一方法例時該系統的一行為例，及 圖3顯示在可逆儲存材料與暫穩定儲存材料間之一行為差異例。

Claims (14)

  1. 一種用以儲存及供應氫氣至一氫氣利用單元之系統，其包含： 一第一氫氣儲存槽，其包含用以藉由吸附暫穩定地儲存氫氣之一第一材料；及 一第二氫氣儲存槽，其包含用以藉由吸附可逆地儲存氫氣之一第二材料； 一由該第一槽至該第二槽及/或該氫氣利用單元之氫氣輸出； 一由該第二槽至該氫氣利用單元之氫氣輸出， 以便容許該第一槽供應一第一氫氣流至該利用單元，且容許該第二槽供應一第二氫氣流至該利用單元，該第二流補充及/或取代該第一流。
  2. 如請求項1之系統，其中該系統係組配成容許該第一槽供應該第一流至該第二槽以便用氫氣再填充該第二槽。
  3. 如請求項1至2中任一項之系統，其中該系統係組配成使得至少在一操作位置中，該第一槽、該第二槽及該氫氣利用單元維持流體連通且該第二材料所儲存之氫氣量的演變隨著該氫氣利用單元之氫氣需求被動地被控制。
  4. 如請求項1至3中任一項之系統，其中該第二材料適合形成一氫化物，最好是一金屬氫化物，且最好是LaNi5 、FeTi、TiCr、TiV、TiZr及/或TiMn2 型之金屬氫化物。
  5. 如請求項1至4中任一項之系統，其中該第一材料適合形成一氫化物，最好是一金屬氫化物，例如鋁烷，例如至少一鋁烷相，例如a鋁烷，例如a主鋁烷及/或硼氫烷及/或1,2-二胺硼烷，及/或氫化鋰及/或鋁氫化鋰。
  6. 如請求項1至5中任一項之系統，其中該第二槽係組配成在室溫供應該第二氫氣流以容許該利用單元之操作。
  7. 如請求項1至6中任一項之系統，其中由該第一槽至該第二槽及/或該氫氣利用單元之該氫氣輸出具有一防回流閥。
  8. 如請求項1至7中任一項之系統，其中該氫氣利用單元包含一燃料電池及/或一排氣處理系統及/或一氫氣馬達。
  9. 一種用以供應氫氣至一氫氣消耗單元之方法，該方法係藉由如請求項1至8中任一項之系統來實施。
  10. 如請求項9之方法，其包含以下步驟： 使該第一材料之溫度上升到達一操作溫度； 在溫度上升前及/或溫度上升期間，由該第二槽供應該第二氫氣流至該利用單元來取代該第一流；及 一旦該第一材料到達該操作溫度，由該第一槽供應該第一氫氣流，且最好停止供應該第二流。
  11. 如請求項9至10中任一項之方法，其更包含以下步驟： 由該第一槽供應該第一氫氣流至該利用單元；及 除了該第一流以外，亦由該第二槽供應該第二氫氣流至該利用單元。
  12. 如請求項9至11中任一項之方法，更包含藉由該第一槽用氫氣再填充該第二槽之一步驟。
  13. 如請求項9至12中任一項之方法，其中藉由該第二槽供應該第二氫氣流之至少一步驟結束後，該第二槽具有足夠填充量來實行供應該第二氫氣流之一新步驟。
  14. 如請求項1至8中任一項之系統，更包含組配成可實施如請求項9至13中任一項之方法的控制裝置。
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