在氢动力车辆中使用的具有热传递系统的车载储氢单元的制作方法

专利名称：在氢动力车辆中使用的具有热传递系统的车载储氢单元的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及储氢单元的冷却和加热系统。更特别地，本发明涉及用以在加氢燃料站加燃料时利用储氢合金冷却储氢容器的热传递系统，和用以加热储氢容器以有助于在冷启动和运行状态过程中氢的释放的加热系统。
背景技术：
由于世界人口膨胀及其经济增长，二氧化碳的大气浓度使地球变暖导致气候变化。然而，全球能量系统正不断地远离富碳燃料，所述富碳燃料的燃烧产生有害气体。专家称到下世纪末为止，二氧化碳的大气水平可能是前工业时期的两倍，但是他们还称若没有已持续了超过100年的向低碳燃料发展的趋势，所述水平将更高。此外，化石燃料导致污染并且是国家之间的战略性军事斗争中的导致因素。
将近一个半世纪以来，具有高碳量的燃料已经逐渐被那些含碳量越来越小的燃料所替代。在19世纪晚期，含碳更少的煤使高碳的最初木材黯然失色。随后，在20世纪60年代，具有较低含碳量的石油同样废黜了煤的王者地位。现在分析家称更低碳的天然气可能正进入其全盛时期，且燃料中根本不含碳的氢的时代可能最终将要来临。因此，专家估计世界经济今天产生每单位能量所燃烧的碳不到其在1860年产生每单位能量所燃烧的碳的三分之二。
在美国，据估计自1950年以来，向低碳燃料发展的趋势结合更高的能量效率，已经减少了近一半的为每单位经济产量而消耗的碳量。因此，能量系统的脱碳是从过去20年的系统分析中出现的一个最重要的事实。已经预计，到21世纪末为止，这种发展将产生无碳能量系统。本发明将那个周期缩短为时间的问题。在近期内，氢将被用在汽车，卡车和工业设备的燃料电池中，正如氢已经为轨道空间飞行器提供动力一样。但最终，氢还将提供普通的无碳燃料以覆盖所有燃料需要。
正如最近的报纸文章所注意的，大型工业，尤其在美国，长期以来怀疑地球在变暖的主张，且叫嚣否认气候变化的科学。电力工业甚至已经试图在普通人中引发忧虑，即针对气候变化的国际条约将削减经济增长并以就业为代价。因此，非常值得鼓舞的是，一些世界上最大的公司，例如荷兰皇家壳牌石油公司(Royal Dutch/Shell)和英国阿莫科石油公司(BP Amoco)，两家大型欧洲石油公司，现在明确提出曾经被认为异端邪说的声明全球变暖是真实的且值得立即行动。多家美国公司宣称要以适当的方式减少他们的动力设备对大气产生的损害。杜邦(Dupont)，世界最大的化学品公司，甚至宣称它将在十年内自愿地将其温室气体的排放量减少至其在1990年的排放水平的35％。做为温室气体和其它污染物(尽管其车辆排放的单位减少)的排放的主要贡献者的汽车工业现在已经意识到改变是必然的，正如其电动车辆和混合动力车辆所证实的。
氢是“最终燃料”。事实上，氢被大多数人认为是下一个千年的“那种”燃料，且它是用之不竭的。氢是宇宙中最丰富的元素(超过95％)且是“大爆炸”产生的第一元素。氢可为我们的星球提供用之不竭的清洁能量源，所述氢可通过将水分解为氢和氧的各种工艺产生。氢可以以固体状态被储存和运输。氢还可易于被产生和储存。例如，经济的，轻质的，三结非晶硅太阳能电池(由Stanford R.Ovshinsky开创的发明，直接发明人之一)，例如在美国专利No.4,678,679(所述专利的公开内容在此作为参考而被引用)中阐明的那些，可易于被设置与水体相邻，在所述水体处可利用它们的固有高开路电压将水离解成其组分气体，并收集由此产生的氢。此外，通过将这些高效率太阳能电池板放置在附近农场上，水中或者陆地上，可产生电流以将氢传输并抽进金属氢化物储床内。储氢合金的储氢能力允许氢以固体形式进行存储，从而以安全经济的形式通过驳船，油轮，火车或者卡车运输而最终使用。能量是生命的基本必需品和当今社会的文明，做为能量的基本来源的氢以此处所述方式的使用将结束为控制化石燃料而发动的战争。现在引用的短语将是“从来源到车轮”，而不是“从油井到车轮”。
在过去，已经给予作为燃料或者燃料供应的氢的使用以相当大的关注。虽然世界的石油储量是可耗竭的，而氢的供应几乎是保持无限的。氢可由煤、天然气和其它烃中产生，或者由水的电解形成，优选通过来自太阳的能量产生，所述太阳主要由氢组成且其本身可认为是巨大的氢“炉”。此外，可以不使用化石燃料而产生氢，例如通过利用核能或太阳能或者其它任何形式的经济型能量(例如风、波浪、地热等)电解水。此外，氢，尽管目前比石油昂贵，但本质上是低成本燃料。氢在各种化学燃料中具有最高的每单位重量的能量密度，且由于“燃烧”氢的主要副产物是水，所以它基本上是无污染的。因此，氢可以是解决多种涉及世界能源的问题，例如气候变化、污染、对石油的战略性依赖等的手段，以及提供帮助发展中国家的手段。
尽管氢做为燃料有广泛的潜在应用，但在其使用，特别是在例如车辆的动力供应的移动使用中的一个主要缺点是缺乏可接受的轻质紧密的储氢介质。常规情况下，氢在高压条件下被存储在耐压容器中或者作为被冷却至极低温度的低温冷却液体被存储。作为压缩气体或者液体的氢的存储包括使用较大和/或低温容器，所述较大和/或低温容器的使用使得以供应车辆动力的氢的使用较不可行。
另一种可选方式是，所公知的是，某些金属和合金允许可逆储存和释放氢。在这一点上，由于其高储氢效率，它们已经被认为是优秀的储氢材料。氢作为固体氢化物的储存可提供比作为压缩气体或者液体形式的储存更大的体积存储密度。此外，氢在固体氢化物中的储存存在比作为气体或者液体在容器中储存所导致的问题更少的问题。这些合金在题目为“实现氢基生态系统的高存储能力合金”的美国专利No.6,193,919中被充分描述，所述专利在此作为参考而被引用。
随着在氢存储方面的这些进展，现在氢作为供应车辆动力的燃料具有可行的使用。固体相金属或者合金系统通过高密度吸收氢和在特定的温度/压力或者电化学条件下形成金属氢化物而可以储存大量的氢，且可通过加热易于释放氢。
随着现在氢成为供应车辆动力的可行来源，已经在设计内燃机以依靠氢而不是化石燃料运行方面进行了相当多的研究。在这些设计中，氢/空气混合物在内燃机中进行燃烧，非常类似于汽油和其它烃燃料在当今的内燃机中进行燃烧的情况。然而，由于氢的存在，不需要催化转化器以处理排出物从而符合排放标准。氢清洁地进行燃烧，唯一的副产物是水。
同样还对燃料电池在动力车辆上的使用进行了相当多的研究。燃料电池，类似于电池，通过利用电化学反应运行。与在所述电池中化学能被存储在电池内不同的是，通常给燃料电池提供来自电池外的反应物以产生用以供给车辆动力的电流。在燃料电池中，利用氢流、氧流和电解质流以提供电流。燃料电池提供优于内燃机或者发电机系统的多个重要优点。所述这些优点包括相对较高的效率、环境清洁运行、高可靠性、很少的移动部件和安静的运行。燃料电池潜在地比其它基于卡诺循环的常规动力源更有效率。
由于氢成为烃燃料可行的另一种可选方式，需要各种系统以将氢储存和保持在车辆中。这些系统必须考虑到简单和有效的燃料补给以赢得普通公众的接受。在需要给车辆提供动力时，存储的氢必须是从储氢系统中可得的，而不管在启动或者运行中的外部温度。
本发明描述了一种用于在添加燃料的过程中冷却车辆的氢储床和在车辆的运行和启动过程中加热氢储床的热传递系统的新型设计。该热传递系统从车辆储氢容器中除去氢化物的形成热以最小化给车辆补给燃料并给氢存储容器提供热量以在车辆的运行和启动过程中帮助从氢化的储氢合金中释放氢的时间。

发明内容
本发明披露了一种用于氢动力车辆的具有热传递系统的车载储氢单元，包括至少被部分填充储氢合金的储氢容器，适于向储存在储氢容器中的储氢合金传递热量并从储存在储氢容器中的储氢合金中传递出热量的第一回路，和与所述第一回路热连接的第二回路。
储氢容器适于接收来自外部氢源，例如燃料供应站的氢流。在燃料补给过程中，储氢合金产生氢化物形成热。使用第一回路以从储氢合金中除去热量从而最优化燃料补给所需的时问。
在燃料补给过程中，第一回路是开放的回路。第一回路接收来自外部源，例如燃料补给站的冷却流体流。第一回路包括与所述储氢合金热接触的一条或更多管道。因此，冷却流体在第一回路中循环并除去由于氢被吸入储氢合金产生的任何热量。
在车辆的运行过程中，第一回路是闭合回路，所述闭合回路用以给储氢合金提供热量从而帮助从储氢合金中释放氢。第一回路包含从燃料补给过程剩余的封闭在回路中的流体。在第一回路中的流体被加热并在第一回路中循环，从而给储氢合金提供热量。第一回路中的流体利用热交换器被加热。热量可从在第二回路中循环的加热流体中或者通过催化燃烧器被提供给热交换器。第二回路被用作车辆的运行过程中的热源，且催化燃烧器被用作车辆冷启动过程中的热源。存在于储氢罐中的未吸收和吸收的氢可被用于给催化燃烧器提供燃料。
在车辆的运行过程中，利用泵送装置使第一回路中的流体在第一回路中循环。泵送装置可以是被机械连接到第二回路上的电连接或者定向连接的涡轮机，所述第二回路使加热流体循环。定向连接的涡轮机利用在第二回路中循环的加热流体流使流体在第一回路中循环。


图1示出了本发明的优选实施方式的图解；图2示出了本发明的另一种可选实施方式的图解；图3示出了本发明的优选实施方式的图解，其中在冷启动过程中使用催化燃烧器；图4示出了本发明的另一种可选实施方式的图解，其中在冷启动过程中使用催化燃烧器；并且图5示出了本发明的另一种可选实施方式的图解，其中第一回路仅被用以在燃料补给过程中冷却第二回路。
具体实施例方式
本发明披露了一种在氢动力车辆中使用的具有热传递系统的车载储氢单元。所述热传递系统被设计以与至少一个储氢容器结合使用，所述储氢容器被至少部分填充有储氢合金。储氢容器被构造以接收来自燃料补给站的氢并提供需要作为燃料的氢。氢可被用作燃料电池、氢动力内燃机或者其它用于利用作为燃料的氢驱动车辆的装置的燃料。
在燃料补给过程中，包含在储氢容器中的储氢合金吸收氢，从而产生相当大量的热量(氢化物形成热)。如果热量保持存在，氢吸入储氢合金中的速度下降且用于给容器补给燃料的时间增加。由于氢吸入储氢合金而产生的热量必须足够快地被除去以最大化氢吸入储氢合金的速度从而最小化燃料补给所需的时间。本发明披露了一种用于在燃料补给过程中将氢化物形成热从储氢容器中除去以最小化燃料补给时间的新型方法。
除冷却储氢合金之外，本发明还被设计以在车辆的启动或运行过程中将热量提供给储氢合金。将热量加到储氢合金上有助于从储氢合金中释放氢，从而产生了从储氢容器中被提供的易得的氢流。
本发明的优选实施方式示于图1中。本发明包括第一回路、第二回路、一个或更多储氢容器、一个或更多热交换器、多个阀门和多个牢固的快速连接连接器。
在燃料补给过程中，氢从车外来源被提供给包含储氢合金的储氢容器1。氢源与氢入口可封闭地连接。氢入口2可以是快速连接连接器，所述连接器提供了与氢源的气密封闭。氢流经氢入口2并通过管道流至包含储氢合金的储氢容器1。氢被储氢合金吸收并且产生热量。为保持氢进入储氢合金的最优吸收，必须从储氢合金中除去氢化物形成热。这通过在燃料补给过程中使冷却流体在储氢容器1中循环实现。
在燃料补给前以及在燃料补给过程中，低温冷却流体被从车外来源提供给系统。所述低温冷却流体可以是水、乙二醇、其混合物或者其它适于系统内进行热传递的流体。通过使用车外来源的低温热传递流体，热传递系统实施以提供快速填充所需的空间更少。低温热传递流体来源可密封地连接至第一回路入口3。第一回路入口3可以是为冷却流体来源提供气密密封的快速连接连接器。低温冷却流体从车外来源被抽入第一回路4中。热传递流体通过第一回路4流至储氢容器1。冷却流体流经包含在储氢容器1中的一条或更多管道或者流动通路，所述管道或者流动通路与储氢合金热接触。低温冷却流体吸收由氢化物形成产生的热量，流出储氢容器，并通过第一回路出口5流出系统。阀门6位于第一回路中，所述阀门在接收低温冷却流体前被关闭。阀门6被关闭以形成开放回路，所述开放回路允许流体连续地流经第一回路4。在补给燃料后，阀门6被打开且第一回路入口3和第一回路出口5被密封。在补给燃料后，第一回路4保持被冷却流体充满。在车辆的启动和运行过程中，这种冷却流体被加热并用于将热量传递至储氢合金以帮助从储氢合金中释放氢。
在车辆的运行过程中，热量从第一回路4被提供给储氢合金。保持在第一回路4中的冷却流体被加热并利用定向连接的涡轮机7在第一回路4中循环，所述涡轮机7与第二回路8机械连接。第二回路可以是用于车辆的内燃机中的燃料电池的冷却回路。第二回路8中的加热流体在运行过程中在第二回路8中连续地循环。定向连接的涡轮机7利用通过第二回路8的流体流使保持在第一回路中的流体在第一回路4中循环，从而消除在第一回路中对泵的需要。
热量从在第二回路8中循环的加热流体被提供给包含在第一回路4中的冷却流体。第一回路4可通过热交换器9与第二回路8热接触。第二回路8在车辆的运行过程中将热量提供给第一回路4中的流体。流经第二回路8的流体可以是车辆的冷却回路，所述冷却回路根据应用接收来自燃料电池或者氢内燃机，或另一种热源中的热量。当在第一回路4中循环时，受热流体以与在燃料补给过程中相同的方式流经储氢容器1中的管道。受热流体将热量提供给氢化物储氢合金以帮助氢的释放。在本发明的另一种可选实施方式中，定向连接的涡轮机7被泵7a代替。这种实施方式示于图2中。
在冷启动过程中，热量不易从第二回路供应给第一回路。催化燃烧器9a可被用以快速加热包含在第一回路4中的冷却流体。催化燃烧器可与热交换器或者第一回路4热连接。如图3例示的这种实施方式示出了与热交换器热连接的催化燃烧器。在这种实施方式中，少量的氢从储氢容器1被提供给催化燃烧器9a。尽管氢化物床中的温度可以是这样的以至于高速度的氢不易从储氢材料中释放，但最小量的氢仍还可从储氢容器被提供给催化燃烧器9a。包含在储氢容器中的该最小量的氢是为催化燃烧器9a所需以加热在第一回路中的流体从而开始从储氢合金中释放氢的量。在利用催化燃烧器的本发明的另一种实施方式中，定向连接的涡轮机7被泵7a代替。这种实施方式被示于图4中。
在另一种可选实施方式中，本发明的第一回路4a可在燃料补给过程中仅被用于冷却第二回路。这种实施方式被示于图5中。在车辆的运行过程中，第二回路8a达到两个目的。第二回路8a通过根据应用接收来自燃料电池或者氢内燃机10，或者另一种热源中的热量起到车辆的冷却回路的作用，并将热量提供给储氢容器1以帮助从储氢合金中释放氢。在车辆的运行过程中，阀门12保持关闭且阀门11保持打开。在燃料补给过程中，通过关闭阀门11和打开阀门12，第二回路8a被缩短。第二回路随后被用以从储氢容器1中除去氢化物形成热。在燃料补给过程中，从车外来源接收的冷却流体被用以通过热交换器9冷却在第二回路中循环的流体。定向连接的涡轮机7被用以利用来自车外来源的冷却流体流以使流体在第一回路中循环通过储氢容器，从而消除在燃料补给过程中使用泵的需要。
储氢装置1可以是至少被部分填充有储氢合金的压力密封容器。储氢容器可以具有一系列遍及容器内部延伸的管道。管道可适于接收热传递流体并利用这种流体加热或冷却容器的内容物。这种容器的内部还可被导热材料分成隔室以更好地适应遍及容器的热传递且阻止储氢合金的致密化和随后的膨胀(在充氢后)，所述储氢合金的致密化和随后的膨胀可导致容器器壁产生应变。这种储氢容器在2002年5月9日提交的题目为“蜂巢状储氢结构”的美国专利申请序列号10/143,243中被描述，所述专利申请的公开内容在此作为参考而被引用。
在金属氢化物储氢单元中使用的合金可以是在为该目的的技术领域中的各种已公知的合金。具体的合金包括AB2、AB5或者体心立方(BCC)合金，例如稀土-镍合金、钛-锰合金、钛-锆合金、钛-铁合金、镁合金以及类似合金。这些合金的实例可参见以下美国专利6,193,929；6,103,024；5,976,276；5,916,381；5,840,440；4,832,913；4,431,561和以下美国专利申请序列号09/573,240；09/609,487；09/902,320；09/901,816；09/444,812；09/873,863中，所述专利和专利申请全部在此作为参考而被引用。
实用储氢合金的一个实例是低温储氢合金，所述合金在暴露于环境大气中时是非自燃的。特别地，所述合金即使在充氢/放氢循环后仍是非自燃的。所述合金是利用原子设计制造的TiMn2型合金。非自燃低温储氢合金的优选实施方式包括钛、锆、钒、铬和锰。所述合金还可包括铁和铝。合金的原子工程包括调整合金的组分以包括超过常规TiMn2合金的铬水平的铬。换句话说，随着合金的铬含量增加，发生自燃的趋势下降。特别优选的合金组分包括0.5-10at.％(原子百分含量)Zr，29-35at.％Ti，10-15at.％V，13-20at.％Cr，32-38at.％Mn，1.5-3.0at.％Fe和0.05-0.5at.％Al。所述合金还可包括总计1-10at.％的从由Ba、Co、Cu、Cs、K、Li、Mm、Mo、Na、Nb、Ni、Rb、Ta、Tl和W组成的元素组中选择的至少一种元素。实用合金的具体实例包括Zr1Ti33V12.54Cr15Mn36Fe2.25Al0.21和Zr1.5Ti32.5V12.54Cr15Mn36Fe2.25Al0.21的组分。
前述说明被提供目的用于解释和披露本发明的优选实施方式。对所述实施方式，特别包括对一次或者第二回路的改变，热传递系统的运行条件和系统部件的定位的变型和改变对于本领域的技术人员来说是显而易见的。可在不偏离在所附权利要求中的本发明的精神或范围内做出这些改变和其它改变。
权利要求
1.一种用于氢动力车辆的储氢单元，包括至少部分填充有储氢合金的储氢容器，其中所述储氢容器适于接收来自外部氢源的氢；适于在车辆燃料补给过程中从所述储氢容器传递热量和在车辆运行过程中将热量传递至所述储氢合金的第一回路；和与所述第一回路热连接的第二回路，所述第二回路适于在车辆运行过程中将热量提供给所述第一回路。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一回路包括一条或更多与所述储氢合金热接触的管道。
3.根据权利要求2所述的设备，其中在车辆燃料补给过程中，所述第一回路是适于从外部源接收冷却流体流并使所述冷却流体流在所述第一回路中循环的开放回路，其中由氢吸入储氢合金中产生的氢化物形成热被从所述储氢容器中除去。
4.根据权利要求2所述的设备，其中在车辆运行过程中所述第一回路是包括热传递流体的闭合回路。
5.根据权利要求4所述的设备，其中利用泵送装置使包含在所述第一回路中的所述热传递流体在所述第一回路中循环。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述泵送装置是与所述第二回路机械连接的定向连接涡轮机，其中所述定向连接涡轮机利用在所述第二回路中循环的加热流体流使所述热传递流体在所述第一回路中循环。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述储氢单元还包括与所述第一回路热连接的催化燃烧器，所述催化燃烧器适于将热量提供给第一回路。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述催化燃烧器最初被供以包含在所述储氢容器内的一定量的未吸收的燃料氢。
全文摘要
一种用于氢动力车辆的具有热传递系统的车载储氢单元。所述系统包括包含储氢合金的储氢容器(1)，所述储氢容器被构造以通过氢入口(2)接收氢流并且提供用于为车辆提供动力的氢。在车辆的燃料补给过程中，使用冷却/加热回路(4，8)以从储氢合金中除去氢化物形成热，而在车辆的运行过程中，使用冷却/加热回路(4，8)以将热量提供给储氢合金，从而有助于氢的脱附。
文档编号B01D53/02GK1688857SQ03824128
公开日2005年10月26日 申请日期2003年8月11日 优先权日2002年8月14日
发明者V·米亚斯尼科夫, R·杨, Y·李, S·R·奥夫辛斯基 申请人:特克萨科双向氢系统有限责任公司