专利名称：低温吸附储氢及储氢罐的制作方法
技术领域：
本发明涉及填充超级活性炭或活性炭纤维并用液氮致冷的吸附储氢技术和储氢罐结构，该发明属于氢气的储存、运输及分配技术。
氢气不但是重要化工原料，而是最清洁的、可再生的能源。近年来，氢能汽车呼之欲出，唯有氢气的储存技术尚未得到满意的解决。氢气的大规模储存始终是人们关切的问题。凡需要大量使用氢气的场所，皆采用就地生产，就地使用的办法，许多高含氢气流，因为无法解决氢气的储存与输送问题而白白烧掉。多年来对金属氢化物储氢做了大量的研究工作，但因为储氢合金比重太大，不适合大规模的氢气储存与转运。液氢固然便于储存与运输，但氢气的液化成本很高，大大提高了氢能成本，不利于氢能的广泛使用。采用氢气的高压压缩储存，虽然压力高达20MPa以上，储氢密度依然不高，并且储氢罐自重大，亦不宜大规模应用。近年来提出通过有机化合物的加氢和脱氢实现储氢目的，但这种技术无疑是在产氢和用氢场所分别建加氢和脱氢反应装置，在技术要求、投资和使用方便性等方面尚未达到实用化程度。
针对氢气储存的上述问题，本发明提出适于大规模储氢和用氢的成本较低、单位重量储氢密度高的储氢技术。
本发明是在液氮温度下使氢气吸附在超级活性炭或活性炭纤维上，在1.0～2.0MPa压力下即达到20～25MPa压力下压缩储氢的容量。其核心技术是如附
图1所示的吸附储氢罐。结合该图将储氢和用氢的相关技术说明如下。附图1中1为氢气的入、出口和自控阀门，2为氢气限压阀，3为液氮加人口及自控阀门，4为液氮空间限压阀，5和6为金属换热器的入、出口及自控阀门，7为液氮夹套外的绝热保温层，8为液氮夹套，9为吸附剂(活性炭或活性炭纤维)，10为吸附剂床层中的金属换热器。氢气储罐的罐体用耐氢金属材料或复合材料制成。其结构特征在于1．储氢罐中填充储氢吸附剂。最好的储氢吸附剂是活性炭和高比表面积的超级活性炭，或者活性炭纤维制品。在吸附剂床层的端面上，采用无纺布和金属丝网防止吸附剂粉末的夹带。2．通过液氮夹套使储氢吸附剂保持在77～78K的温度。对于大型储氢罐，仅仅依靠夹套难以实现整个吸附剂床层的恒温，为此，可在吸附剂床层中设置液氮循环管，并与夹套相通。通过液面计测定夹套内的液氮液面，控制器根据液面信号从附属液氮容器中向夹套补充液氮，或者从液氮供应站定期地向液氮夹套补充液氮。3．液氮夹套外是高真空并有多层防辐射损失的绝热保温层。目前的保温技术已经可以做到液氮的日损失量小于2％。4．吸附床内设置一个金属换热器。在快速充氢时，换热器中引入液氮以取走氢气的吸附热。充氢结束后将其中的液氮排空。在快放气时，如果氢气的解吸导致吸附剂温度的明显降低，自控系统将打开阀门6引入大气以升高吸附剂床层的温度，提高氢气的释放速率。5．液氮夹套空间和储氢空间的压力，通过压力传感器输入控制器，在压力过大时控制器打开限压阀以保证系统的安全性。
本发明的优点是1．与常温高压压缩储氢技术相比，储气压力降低10倍左右，但贮氢量却增大1倍以上，大大降低了储氢罐重量和制造成本，以及压缩成本。2．与金属氢化物储氢技术相比，重量大大减轻，单位质量的储氢密度大大提高，成本低廉，适于汽车或更大规模的储氢用途。3．与储存液氢相比，储氢温度大幅度提高，无需液化氢气，成本大大降低。作为冷源的液氮，工业价格仅为1600元/吨。4．采用温度、压力自动控制系统，保证安全，并通过吸附剂床层中的换热器，使快速充氢和用氢时吸附剂的温度恒定，从而使储氢容量和放氢速率恒定。5．储氢吸附剂的寿命实际上是无限的。
实施例一种高表面活性炭在77K时对氢气的吸附性能如附图2所示。其中曲线1是常温不同压力下单纯压缩的储氢量，曲线2是实验测量的77K的氢气吸附等温线，曲线3为77K吸附储氢罐的总储氢能力，它是吸附剂的吸附量和吸附剂颗粒内外空隙中的压缩储气量之和。该图表明，常温压缩储氢，在20MPa压力下每升只能储存14.5克氢气；若以液氮为冷源吸附储氢，则在2.0MPa压力下即可储存30.5克。压力减小到十分之一，储氢量却增大一倍以上。100升的气瓶可以储存氢气3公斤以上，足够燃料电池驱动的4人座汽车行驶400公里。若用于大型运输车，10m3储罐可以储存300公斤以上氢气，相当于约4000m3常压氢气。
权利要求
1．一种吸附贮氢罐，其特征在于罐内填充超级活性炭或活性炭纤维吸附剂，吸附剂外部包液氮夹套，在罐体直径超过0.5米时，吸附剂床层中敷设与液氮夹套相通的盘管，在液氮夹套外部是防辐射绝热保温层，在吸附剂床层中埋设有换热器，吸附剂床层以及液氮夹套系统的温度和压力状态实现自动调节。
2．一种采用按权利要求1所述的储氢罐的吸附贮氢技术，其特征在于利用液氮使吸附剂床层温度保持在77～78K，氢气的灌装压力为1.0～2.0MPa，通过敷设在吸附剂床层中的换热器移除快速吸放氢的热效应。
全文摘要
本发明公开一种低温吸附储氢及储氢罐技术,利用液氮温度下氢气在高比表面积的活性炭或活性炭纤维上的高吸附量,降低氢气的储存压力,提高储氢密度。吸附剂床层通过其外围的液氮夹套冷却至液氮温度,液氮夹套外是绝热保温层。吸附剂床层内有金属换热管,充氢时引入液氮冷却,快速放氢时泄入大气升温。液氮夹套和储氢空间均有安全泄压阀。储氢压力2.0MPa左右,每升容积储氢约30克。
文档编号F17C11/00GK1235255SQ99108289
公开日1999年11月17日 申请日期1999年6月8日 优先权日1999年6月8日
发明者周理, 周亚平 申请人:天津大学