用于氢存储材料的加热系统的制作方法

专利名称：用于氢存储材料的加热系统的制作方法
技术领域：
技术领域总体上涉及用于氢消耗装置的氢存储和输送系统。
背景技术：
使用氢作为氢消耗装置(例如车辆)的可能燃料源已经促进对氢存储和输 送技术的研究。一个具体的焦点领域包括期望在存储罐中存储有效量的氢，所述存储罐在 相对适中的温度和压力范围内操作。为了试验并完成这种技艺，大量的注意力已经针对氢 存储材料，氢存储材料包括在存在氢气时能够可逆地形成氢化物的吸氢材料。有许多吸氢 材料，这些吸氢材料能够在接近环境压力和温度状况时可逆地吸附和解吸气态氢。因而，添 加这种材料到氢存储罐内部能够显著地增加其氢存储能力。
然而，在位于存储罐内部时，大块的吸氢材料可能需要大量的热输入来帮 助快速解吸大量的氢，以便输送给氢消耗装置。该热输入要求可能引起许多问题。例如，就 车辆而言，引起和管理氢解吸所需要的热源可能必须在不增加车辆的不必要重量和机械复 杂性的情况下在车上承载。
解决车载热源问题的一种可能的途径涉及使得车载燃料电池发电站产生 的排气废热(例如在质子交换膜燃料电池堆的阴极处产生的热)再循环。但是从燃料电池 发电站的排气产生的热的数量和/或质量与引起和保持从各种吸氢材料的氢解吸所需要 的热的数量和/或质量之间的不匹配使得这种选择有一定的挑战性，其中从燃料电池发电 站的排气产生的热往往处于约80°C或更低的温度，而引起和保持从各种吸氢材料的氢解吸 所需要的热约为100°C及更高的温度。另一种选择包括使用电加热器，例如电阻加热器，所 述电加热器由燃料电池发电站的电输出的一部分供电。但是这种途径的问题在于电加热器 的效率受到燃料电池发电站的总效率的固有限制。
因而，需要开发一种将热提供给包含在氢存储罐中的氢存储材料的改进的 产品和方法。

发明内容
一个示例性实施例包括一种方法，该方法包括提供氢存储罐，所述氢存储 罐封装氢存储材料，所述氢存储材料包括具有可解吸的氢的至少一种吸氢材料。第一氢气 流可从所述氢存储罐提供。所述第一氢气流的至少一部分可被分流以形成第二氢气流。所 述第二氢气流和氧气流可输送给包含催化剂的催化加热器，所述催化剂利于所述第二氢气 流和所述氧气流中的至少一些的燃烧以产生热量。所述热量中的至少一些可传输给所述氢 存储材料以从所述至少一种吸氢材料解吸所述可解吸的氢中的至少一些。
另一个示例性实施例包括一种方法，该方法包括提供氢存储罐，所述氢存 储罐构造成提供第一氢气流给氢消耗装置且提供第二氢气流给催化加热器。所述氢存储罐 可限定有罐内部，所述罐内部包括氢存储材料，所述氢存储材料包括具有可解吸的氢的金 属氢化络合物(complex metal hydride)。催化加热器可包含催化剂，所述催化剂能够利于 氢气和氧气的燃烧。所述第二氢气流可与环境空气形式的氧气流混合，以形成反应气体混 合物。所述反应气体混合物可输送给所述催化加热器，使得所述反应气体混合物与催化剂 相互作用且至少部分地燃烧以产生热量。所述热量中的至少一些可从所述催化加热器直接 地或者间接地传输给所述氢存储材料，以从所述至少一种金属氢化络合物解吸所述可解吸 的氢中的至少一些。
又一个示例性实施例包括一种系统，该系统包括氢存储罐，所述氢存储 罐封装氢存储材料，所述氢存储材料包括具有可解吸的氢的至少一种吸氢材料；氢消耗装 置，所述氢消耗装置从所述氢存储罐接收第一氢气流；和催化加热器，所述催化加热器接收 氧气流和来自所述氢存储罐的第二氢气流。催化加热器可包含催化剂，所述催化剂利于第 二氢气流和氧气流的燃烧以产生热量。所述第二氢气流和所述氧气流的燃烧产生的热量中 的至少一些可传输给所述氢存储材料以从所述至少一种吸氢材料解吸所述可解吸的氢中 的至少一些。
本发明的其它示例性实施例将通过下文提供的详细说明而变得显而易见。 应当理解的是，所述详细说明和具体示例虽然公开了本发明的示例性实施例，但是仅仅用 于说明目的，而并非旨在限制本发明的范围。


通过详细说明和附图将更充分地理解本发明的示例性实施例。附图中
图1是用于提供热给氢存储材料的辅助加热系统的示意图，其中根据本发 明的一个实施例采用间接加热。
图2是催化加热器的分解透视图，所述催化加热器能够间接地提供热给根 据本发明的一个实施例的氢存储材料。
图3是图2所示的反应器的热传递层的一部分的放大剖切和单独局部图。
图4是图2所示的气体换热器的热传递层的一部分的放大剖切和单独局部 图。
图5是用于提供热给氢存储材料的辅助加热系统的示意图，其中根据本发 明的一个实施例采用直接加热。
图6是催化加热器的分解透视图，所述催化加热器能够直接地提供热给根 据本发明的一个实施例的氢存储系统。
图7是从示例1中所述的催化加热器16’收集的数据的曲线图，示出了所 消耗的氢的百分比随催化加热器16’的最大操作功率的百分比变化。
图8是从示例1中所述的催化加热器16’收集的数据的曲线图，示出了总 效率(即，氢燃烧能量传递给热传递流体的百分比)随温度和总反应气体流率变化。
图9是从示例1中所述的催化加热器16’收集的数据的曲线图，示出了热 分配随催化加热器16’的功率水平变化。
图10是从示例1中所述的催化加热器16’收集的数据的曲线图，示出了在 启动期间低温时的催化加热器16’的效率。
图11是从示例1中所述的催化加热器16’收集的数据的曲线图，示出了催 化加热器16’的响应时间，其中氢气的流率以及热传递流体的入口和出口温度相对于时间
终屮
fe OQ o
具体实施例方式
实施例的以下说明本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本发明、其应用 或用途。
已经提出了能够提供辅助热给可设置在氢气存储罐中的氢存储材料的多 种系统。这些辅助加热包括在催化加热器中催化燃烧氢气和氧气，以产生热(约242kJ/摩 尔吐)和水蒸汽。氢气可以通过将包含在氢存储罐中的氢的小部分分流而提供给催化加热 器。氧气可以以空气形式从周围环境或者一些其它合适的源提供给催化加热器。
氢气和氧气的催化燃烧产生的热然后可以间接地或直接地传递给氢存储 材料，以促进更多氢气的释放。术语“间接加热”及其语法上的变型在这里用于表示通过使 热传递流体循环而将从氢气和氧气的催化燃烧产生的热传递给氢存储材料。合适的热传递 流体的示例包括但不限于水、矿物油、合成油及其组合物。术语“直接加热”及其语法上的 变型在这里用于表示从氢气和氧气的催化燃烧产生的热在不用首先传递给热传递流体的 情况下被直接传递给氢存储材料。
这些辅助加热系统为氢存储材料提供质量、体积和能量有效的热源，所述 氢存储材料可能需要显著的热输入以帮助解吸和输送氢气。这些辅助加热技术的能量效率 在将氢气转换为热能时可能接近100%，且能够通过减少从氢存储罐输送氢所需要的能量 负载而提高氢消耗装置的总燃料效率。
现在参考图1，根据一个实施例，示出了用于间接加热氢存储材料14的辅 助加热系统10的示意图。系统10可包括氢存储罐12，所述氢存储罐12封装氢存储材料 14 ；催化加热器16，在催化加热器中，氢气和氧气催化燃烧产生热；和循环泵18或其它类似 机构，其用于使热传递流体在催化加热器16和氢存储罐12之间以合适的流率移动。
在辅助加热系统10的操作期间，氢出口端口 20从氢存储罐12释放氢气以 便输送给燃料消耗装置22。从出口端口 20释放的氢气的一部分然后可在分流点24处分流 且与由鼓风机或风扇26从外部环境提供的空气形式的氧气混合。
氢气和氧气的反应气体混合物然后可在反应气体入口 28处输送给催化加 热器16。一旦引导给催化加热器16，氢气和氧气的反应气体混合物中的至少一部分催化燃 烧以产生燃烧产物和热。燃烧产物主要包括由消耗掉氧气的空气携带的水蒸汽，其可以通 过燃烧产物出口 30从催化加热器16排出。然而，在热传递流体从热传递流体入口 32通过 催化加热器16流向热传递流体出口 34时，所产生的热可传递给热传递流体。
然后热传递流体可输送给氢存储罐12上的热传递流体入口端口 36。热传 递流体入口端口 36可与导管40 (以虚线示出)流体连通，导管40穿过氢存储罐12的内部 且与氢存储材料14接触或者靠近氢存储材料14，使得热能够充分和有效地从热传递流体 传递给氢存储材料14。在加热氢存储材料14之后，热传递流体可通过热传递流体出口端口
738离开氢存储罐12，热传递流体出口端口 38也与导管40流体连通。然后热传递流体可循 环回到催化加热器16上的热传递流体入口 32，以被再次加热。如前文所述，贯穿辅助加热 系统10的热传递流体的流动可由循环泵18完成。
氢存储罐12可具有适合于存储和输送氢气的任何已知结构。在一些情况 下，氢存储罐12能够在通常分别为从约_80°C至约300°C和从约lObar至约875bar的范围 内的温度和压力下存储氢气。
氢存储罐12内容纳的氢存储材料14可包括能够可逆地吸附和解吸氢气的 至少一种吸氢材料。氢存储材料14的这种属性允许氢存储罐12实现更大的重量和体积能 量密度，因为所述至少一种吸氢材料中能够存储有效量的可解吸的氢，而不减少罐12的可 用自由体积，其中含有自由气态和可立即排出的氢。在一个实施例中，吸氢材料可以是金属 氢化络合物，金属氢化络合物在暴露给大于通常可从PEM燃料电池堆获得的温度时最丰富 地释放氢气。示例性金属氢化络合物包括但不限于各种已知的铝氢化物、硼氢化物和氨基 化合物，其可能需要高达200°C的温度来释放有效量的氢气。一些具体的金属氢化络合物包 括铝氢化钠(NaAlH4)、铝氢化锂(LiAlH4)、带有或没有MgH2的硼氢化锂(LiBH4)、带有或没 有MgH2的硼氢化钙(CaBH4)、和氨基化锂(LiNH2)。当然，有许多其它金属氢化络合物和其 它吸氢材料已经在文献中报道且可以包含在氢存储材料14中。如果期望，其它材料也可以 连同所述至少一种吸氢材料一起包含在氢存储材料14中。这种材料的示例是能够帮助从 氢气中去除杂质的吸收剂。
催化加热器16的一个实施例在图2中示出，且可包括反应器42，反应器42 配置成催化燃烧氢气和氧气的反应气体混合物。反应器42也可配置成同时将从催化燃烧 反应产生的热传递给热传递流体。换句话说，反应器42可用作催化反应器和热交换器。催 化加热器16也可包括气体换热器44，所述气体换热器44构造成在反应气体混合物进入反 应器42之前加热反应气体混合物，从而相对较热的燃烧产物离开反应器42。该预加热能够 帮助利于在反应器42中的更能量有效的催化燃烧反应，因为这种氢氧化反应的反应速率 随着温度而增大。原型催化加热器16’的具体和示例性实施例连同示例1中的一些性能数 据一起描述。
反应器42可包括一个或多个热传递单元或层46，每个热传递单元或层46 构造成同时接收反应气体混合物流和热传递流体流。热传递层46可由导热率高和抗腐蚀 的材料制成，例如但不限于铝、铜、银及其各种合金。在一个实施例中，最佳地见于图3，热传 递层46可包括气流通道46A和液流通道46B。气流通道46A可传送反应气体混合物且利于 氢气和氧气的催化燃烧，而液流通道46B可传送热传递流体。燃烧、发热的反应气体混合物 和热传递流体通过非常热活跃的热传递层46的它们各自的通道46A、46B的同时流动在热 传递流体沿液流通道46B行进时使热传递流体获得显著的热增益。
气流通道46A可包括含催化剂的翅片48，以帮助促进反应气体混合物中的 氢气和氧气的燃烧和为发生热传递提供增加的表面面积。如图所示，翅片48可以是矩形。 但是当然可以采用其它形状，如对角翅片、圆形翅片或具有凸起或突起的平坦翅片。由翅片 48携带的催化剂可以是本领域技术人员已知的任何合适的催化剂。示例性催化剂包括钼和 钯。但是如果认为其反应性是充分的，其它较低成本的催化剂也可以使用。催化剂可以各 种方式涂覆到翅片48的表面。例如，在一个实施例中，纯催化剂薄膜涂层可通过诸如化学气相沉积、等离子气相沉积或电解沉积的过程沉积。在另一个实施例中，催化剂可以碳载催 化剂基体形式涂覆，在所述基体中，催化剂颗粒悬置在碳载体粉末中。碳载催化剂基体可借 助粘合剂材料(如环氧树脂或粘合剂涂料)涂覆到翅片48的表面。但是不管如何应用，可 能有用的是改变沿热传递层48中的一层或多层的气流通道46A的催化剂浓度，以帮助控制 和/或实现由燃烧反应产生的热量，如本领域技术人员通常理解的那样。
液流通道46B可包括与气流通道46A类似的翅片50，以便为了更有效的热 传递提供增加的表面面积。翅片50可以例如是所示的矩形，或者采用前述其它翅片形状。 然而，翅片50的表面不必包含催化剂，因为在液流通道46B中不发生燃烧反应。与气流通 道46A中的翅片48相比，翅片50的间隔也可以更接近，且沿液流通道46B的宽度W具有更 高的密度。
热传递层48的气流通道46A和液流通道46B可定向成使得反应气体混合 物和热传递流体并流地(沿相同方向)流经层46。该流动布置可能是有用的，因为首先， 从反应气体混合物的催化燃烧产生的热在最初引导到热传递层46中时是最大的，其次，热 传递流体的温度在最初引导到热传递层46中时是最低的。因而，并流流动设置导致燃烧反 应气体混合物和热传递流体之间在反应气体混合物和热传递流体两者共同进入其各自的 通道46A、46B的热传递层46的端部处的热流量最大。热传递层46中经历的该高初始热流 量有助于使传递给热传递流体的热量最大化，同时使反应器42中的总体温度最小化。然 而，如果期望，热传递层46中的其它流动设置(如逆流和交叉流)也是可能的且能够容易 地用于反应器42中。
在一个实施例中，且回到图2，反应器42可包括刚才所述的多个热传递层 46。热传递层46可被钎焊或以其它方式结合到一起，使得反应器42包括交替的气流和液 流通道46A、46B，以有助于使得在反应器42内从燃烧反应气体混合物到热传递流体的总热 传递量最大化。
如前文所述，气体换热器44可用于在反应气体混合物进入反应器42之前 预加热反应气体混合物。在一个实施例中，最佳地见于图4，气体换热器44可包括具有入口 气流通道52A和出口气流通道52B的一个或多个热传递单元或层52。入口气流通道52A可 将反应气体混合物传送给反应器42，而出口气流通道52B可将燃烧产物从反应器42送出。 类似于反应器42中采用的热传递层46，该热传递层52也可由导热率高和抗腐蚀的材料制 成，例如但不限于铝、铜、银及其各种合金。
入口气流通道52A和出口气流通道52B两者都可包括翅片54，以增加发生 热传递的表面面积。设置在入口气流通道52A和出口气流通道52B中的翅片54的尺寸和形 状可以大致相同，但是两个通道52A、52B中的翅片54的类似性不是强制性的。此外，如图 所示，入口气流通道52A和出口气流通道52B可以定向为彼此垂直，以建立交叉流动设置。 不过，在气体换热器44中可以采用其它流动设置。
在一个实施例中且回到图2，气体换热器44可包括刚才所述的多个热传递 层52。热传递层52可被钎焊或以其它方式结合到一起，使得气体换热器44包括交替的入 口气流通道和出口气流通道52A、52B，以有助于使得在气体换热器44内从燃烧产物到反应 气体混合物的总热传递最大化。
催化加热器16也可包括其它常规部件，例如反应 气体偏转帽56、燃烧产物偏转帽58、气流扩散器60、入口气体歧管62、出口气体歧管64、入口热传递流体通路66和 出口热传递流体通路68 (上述部件全部在图2中示出)、以及未示出的其它部件或零件，例 如流控制设备和外壳等。
反应气体偏转帽56可与气体换热器44的入口气流通道52A和气流扩散器 60流体连通，且如果希望可如图所示安装在反应器42上。反应气体偏转帽56的一个功能 可以是在反应气体混合物离开气体换热器44时将反应气体混合物输送给气流扩散器60。 燃烧产物偏转帽58可与反应器42的所述一个或多个热传递层46的气流通道46A和气体 换热器44的所述一个或多个热传递层52的出口气流通道52B流体连通。燃烧产物偏转帽 58的一个功能可以是在燃烧产物离开反应器42时将燃烧产物输送给气体换热器44。
气流扩散器60可包括盖70和气体扩散片72。盖70可由不透气材料制成 且构造成容纳进入的反应气体混合物。气体扩散片72可以是能够将反应气体混合物均勻 和一致地分配给反应器42的所述一个或多个热传递层46中的气流通道46A的任何已知的 类型。通过气体扩散片72的反应气体混合物流可由盖70封闭的容积中的气体压力积聚至 少部分地驱动。
入口气体歧管62将反应气体混合物引导到气体换热器44的所述一个或 多个热传递层52的入口气流通道52A，且出口气体歧管64从气体换热器44的所述一个或 多个热传递层52的出口气流通道52B接收燃烧产物，入口气体歧管62和出口气体歧管64 本质上是常规的且可以用垫圈和螺钉紧固到气体换热器44。类似地，入口热传递流体通路 66和出口热传递流体通路68将热传递流体传送给反应器42的所述一个或多个热传递层 46中的流体流动通道46B和从反应器42的所述一个或多个热传递层46中的流体流动通 道46B送出，入口热传递流体通路66和出口热传递流体通路68本质上也是常规的且用垫 圈和螺钉紧固到反应器42。
催化加热器16可由已知控制设备控制，以产生期望量的热，以及通过燃烧 尽可能多的氢来确保高的效率。例如，催化加热器16的效率和它产生的总热量能够通过恰 当地调节催化加热器16的总氢流率、进入催化加热器16的反应气体混合物中的氢与氧的 比、催化加热器16中的催化剂配方和/或浓度、以及进入催化加热器16的反应气体混合物 的温度来控制。本领域技术人员将知晓和理解如何控制这些和其它过程参数，以及可以使 用的控制设备的类型，从而这里不需要提供关于这方面的更完整的论述。
当催化反应器16用于图1所示的辅助加热系统10时，氢气和空气(来自 于分流点24和鼓风机26)的反应气体混合物流可在入口气体歧管62 (在图1中总体上和 示意性地表示为反应气体入口 28)中被接收且引导到气体换热器44。在此，反应气体混合 物可进入所述一个或多个热传递层52的一侧上的入口气流通道52A，同时热燃烧产物垂直 地流经所述一个或多个层52的相对侧上的出口气流通道52B。在燃烧产物流沿入口气流通 道52A朝着气体换热器44的相对端移动时，反应气体混合物从燃烧产物流捕获大量的热。
在离开入口气流通道52A时，反应气体混合物可进入气体偏转帽56，其中， 反应气体混合物沿反应器42的后部朝着气流扩散器60运送。气流扩散器60的盖70和气 体扩散片72然后可将反应气体混合物分配给反应器42。
在这方面，在从气流扩散器60流出之后，反应气体混合物可均勻和一致地 流入反应器42的所述一个或多个热传递层46中的气流通道46A。在气流通道46A中且沿气流通道46A设置的包含催化剂的翅片48可帮助促进反应气体混合物中的氢气和氧气的 燃烧，以产生热和燃烧产物。同时，当反应气体混合物沿气流通道46A流动且燃烧时，入口 热传递流体通路66 (在图1中总体上和示意性地表示为热传递流体入口 32)可将热传递流 体引入反应器42的所述一个或多个热传递层46的流体流动通道46B。热传递流体可与反 应气体混合物流并流地流动。热传递流体可在热传递流体在出口热传递流体通路68 (在图 1中总体上和示意性地表示为热传递流体出口 34)处离开流体流动通道46B之前通过导热 率高的热传递层46提取大量的所产生的热。从那里，热传递流体可循环到氢存储罐12以 提供热给氢存储材料12，然后返回到催化加热器16。燃烧产物可包含水蒸汽且可能包含额 外的氢和氧，燃烧产物可作为相对较热和较湿润的气体流离开所述气流通道46A。
在离开所述一个或多个热传递层46的气流通道46A之后，燃烧产物可流 经燃烧产物偏转帽58并流入气体换热器44的所述一个或多个热传递层52的出口气流通 道52B。如前文所述，燃烧产物可将进入的反应气体混合物的交叉流预加热，同时沿出口气 流通道52B朝着出口气体歧管64 (在图1中总体上和示意性地表示为燃烧产物出口 30)流 动。当接收在出口气体歧管64中时，燃烧产物可作为废气流排出给环境或者在其它地方再 循环。
现在参考图5，根据另一个实施例，示出了用于直接加热氢存储材料102的 辅助加热系统100的示意图。系统100可包括氢存储罐104，所述氢存储罐104封装氢存 储材料102 ；和催化加热器106，在催化加热器中，氢气和氧气催化燃烧产生热。催化加热器 106可直接接触氢存储材料102或者可紧邻氢存储材料102。该邻近的空间设置允许催化 加热器106以有效的方式将热直接传递给氢存储材料102，而不用使用循环热传递流体。
在辅助加热系统100的操作期间，氢出口端口 108从氢存储罐104释放氢 气以便输送给氢消耗装置112。从出口端口 108释放的氢气的一部分然后可在分流点110 处分流且与由鼓风机或风扇114从外部环境提供的空气形式的氧气混合。
氢气和氧气的反应气体混合物然后可在反应气体入口 16处输送给催化加 热器106。一旦引导给催化加热器106，氢气和氧气的反应气体混合物中的至少一部分催化 燃烧以产生燃烧产物和热。燃烧产物主要包括由消耗掉氧气的空气携带的水蒸汽，燃烧产 物可通过燃烧产物出口 118从催化加热器106排出。然而，所产生的热可从催化加热器106 传递给邻近设置的氢存储材料102。
氢存储罐104可具有适合于存储和输送氢气的任何已知结构，非常类似于 在前述辅助加热系统10中使用的氢存储罐12。氢存储罐104内容纳的氢存储材料102也 可以与在讨论辅助加热系统10时前述氢存储材料14相同。
然而，在一些情况下，该辅助加热系统100的氢存储罐104具有细长圆柱形 形状是更可行的。具有这种形状的氢存储罐104可以更好地适应催化加热器106，如下文所 述。此外，如果氢存储罐104是圆柱形，多个类似氢存储罐104可以一起使用，以在需要时 提供附加的氢存储容量。
在图6中示出了催化加热器106的实施例，催化加热器106可包括配置成 催化燃烧氢气和氧气的反应气体混合物的气体分配构件120和催化剂容纳外壳122。加 热器106也可配置成将从催化燃烧反应产生的热同时传递给环境和相接触的氢存储材料 102。换句话说，催化加热器106可同时用作催化反应器和热交换器。
11
气体分配构件120可以是包括沿其轴向长度的大致均勻分布的穿孔124的 细长中空管。气体分配构件120也可以在一端具有反应气体入口 126，且相对端被封闭或堵 塞。这种结构将反应气体混合物从气体分配构件120均勻地分散穿过穿孔124，以帮助催化 加热器106形成和保持一致的热流量。气体分配构件120可由任何合适的材料制成，包括 但不限于高温聚合物，如聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺酰亚胺(PAI)和高温砜。
催化剂容纳外壳122可以是容纳气体分配构件120的中空细长管。催化剂 容纳外壳122可具有携载催化剂的内表面128和接触或紧邻周围的氢存储材料102的外表 面130。催化剂容纳外壳122的内表面128和外表面130两者都可以是相对光滑的或者包 括能够操纵经过和穿过外壳122的热流的翅片、凸起或其它突起。催化剂容纳外壳122的 尺寸和形状可与气体分配构件120的尺寸和形状粗略地互补，同时具有较大的直径，使得 在催化剂容纳外壳122的内表面128和气体分配构件120之间形成环状部132。这种环状 部132可以为反应气体混合物与催化剂容纳外壳122的内表面128上携载的催化剂相互作 用和最终燃烧以产生热和燃烧产物提供必要的空间。催化剂容纳外壳122也可在一端包括 燃烧产物出口 134且在相对端被封闭或堵塞。为了帮助促进有效的热传递，催化剂容纳外 壳122可由导热率高和抗腐蚀的材料制成，例如但不限于铝、铜、银及其各种合金。
催化剂容纳外壳122的内表面128上携载的催化剂可以是与在讨论辅助加 热系统10时如前所述相同的催化剂且以相同的方式应用。在一些实施例中，催化剂可以规 则或不规则间隔作为条或其它离散形状涂覆到内表面128，以帮助控制和保持通过催化剂 容纳外壳122的大致一致的热分布且避免“热点”。通过改变沿催化剂容纳外壳122的内表 面128的催化剂浓度也可以实现相同的效果，如本领域技术人员理解的那样。
催化加热器106可由已知控制设备控制，以产生热的期望量和分布，以及 通过燃烧尽可能多的氢来确保高的效率。例如，催化加热器106的效率、催化加热器106产 生的总热量以及热通过催化剂容纳外壳122至氢存储材料102的分配能够通过恰当地调节 多个过程参数中的至少一个来控制。可以被控制的一些过程参数包括催化加热器106的总 氢流率、进入催化加热器106的反应气体混合物中的氢与氧的比、催化加热器106中的催化 剂配方和/或浓度、以及进入催化加热器106的反应气体混合物的温度。本领域技术人员 将知晓和理解如何控制这些和其它过程参数，以及可使用的控制设备的类型，从而这里不 需要提供关于这方面的更完整的论述。
当催化反应器106用于图5所示的辅助加热系统100时，氢气和空气(来 自于分流点110和鼓风机114)的反应气体混合物流可通过反应气体入口 126(在图5中总 体上和示意性地表示为反应气体入口 116)被接收在气体分配构件120。在此，反应气体混 合物可填充中空的气体分配构件120且通过穿孔124 —致地扩散到环状部132中。一旦 在环状部132内部，反应气体混合物中包含的氢气和氧气与催化剂容纳外壳122的内表面 128上的催化剂相互作用且开始燃烧以产生热和水蒸汽。由环状部132内的氢气和氧气的 催化燃烧产生的热然后可传递给催化剂容纳外壳122的外表面130且最终传递给氢存储材 料102以促进释放附加的氢。
燃烧产物主要包括水蒸汽和可能的一些过量的氢和空气，在新的反应气体 混合物引导给环状部132时，燃烧产物可流向燃烧产物出口 134(在图5中总体上和示意性 地表示为燃烧产物出口 118)。燃烧产物然后可从氢存储罐104排出并作为废气流释放到环境中或者被再循环以便在其它地方使用。示例1-催化加热器(间接加热)
已经提供了催化加热器16’的具体实施例，在此用与图1_3中的类似附图 标记相对应的主要数字表示，其能够将来自于氢气和氧气的催化燃烧的多于30KW的热传 递给热传递流体。反应器42’和气体换热器44’的尺寸、形状和配置已经被调节和优化，以 试图使到热传递流体的热传递最大化且同时使催化加热器16’的质量和体积最小化。
在该实施例中，反应器42’包括与图2_3所示和所述类似的10个热传递层 46，。10个层46，被钎焊到一起，从而形成交替和平行的气流通道46A，和液流通道46B，，气 流通道46A，和液流通道46B，允许并流流动。层46’中的每层具有约5英寸的长度L(反 应气体混合物和热传递流体沿长度L流动)和约8英寸的宽度W(与反应气体混合物的流 动垂直)。每个热传递层46’的气流通道46A’的含催化剂的翅片48’具有约0. 375英寸的 高度H和约0. 032英寸的壁厚度。含催化剂的翅片48’的密度为沿每层46’的宽度W大约 每英寸6个翅片。另一方面，位于每个热传递层46’的液流通道46B’中的翅片50’具有与 含催化剂的翅片48’相同的高度(约0. 375英寸)，但是具有约0. 010英寸的较薄的壁厚 度。此外，液流通道46B，中的翅片50’的密度为沿每层46’的宽度W大约每英寸25个翅 片。热传递层46，中的每个(包括分别位于气流通道46A，和液流通道46B，中的翅片48，、 50，)都由铝制成且能从位于Kenon，Ohio的Robinson Fin Machines以商业方式获得。
含催化剂的翅片48’在10个热传递层46’中的每个被钎焊到一起之后用 钯催化剂涂覆。为了用钯催化剂涂敷翅片48’，钯颗粒悬置在碳粉末上且混合到高温涂料 中。溶剂然后用于控制得到的混合物的粘度。然后在液流通道46B’被封闭的情况下，10个 热传递层46’浸渍涂覆在催化剂/涂料混合物中且被烘焙以去除挥发物。在烘焙之后，碳 载钯的涂层剩留在翅片48’的表面上。
该实施例的气体换热器44’包括与图4所示和所述类似的3个热传递层 52’。3个热传递层52’被钎焊到一起，从而形成交替的和垂直的入口气流通道52A’和出口 气流通道52B’，入口气流通道52A’和出口气流通道52B’具有交叉流设置。热传递层52’ 的每个的尺寸为约8英寸X8英寸。位于每个热传递层52’的入口气流通道52A’和出口气 流通道52B，中的翅片54，具有约0. 372英寸的高度HE和约0. 010英寸的壁厚度。入口气 流通道52A’和出口气流通道52B’两者中的翅片54’的密度也相同，约每英寸25个翅片。 与反应器42，非常类似，每个热传递层52，可由铝制成且能从Robinson Fin Machines获 得。
为了数据收集目的，催化加热器16’被操作且经受不同的操作条件。图7 示出了所消耗的氢的百分比随催化加热器16’的最大操作功率的百分比的变化。图7中的 数据显示，在100°C和150°C的操作温度和不同氢流率下提供给反应器42’的高百分比(接 近100%)的氢能够转换成热能。
图8示出了反应器42’的总效率(即氢燃烧能量传递给热传递流体的百分 比)随温度和总反应气体流率的变化。图8中的数据表明，反应器42’中氢气和氧气的催 化燃烧产生的热能的75%以上传递给热传递流体。
图9示出了热分配随催化加热器16’的功率水平的变化。图9中的数据表 明，在100%操作功率时，反应器42，在100°C和150°C时分别传递约30kW和约28kW的热能给热传递流体。
图10示出了在启动期间低温时的催化加热器16’的效率。在此，在图10 中，催化加热器16’在50秒时接通，且观察到约20%的初始效率。然而，在热传递流体出口 温度达到约60°C时(发生在约275秒时)催化加热器16’的效率增加至70%以上。
图11示出了催化加热器16’的响应时间，其中氢气的流率以及热传递流体 的入口和出口温度相对于时间绘出。图11中的数据表明，热传递流体出口温度在氢气开始 流向反应器42’的若干秒内开始增加。
此外，虽然在数据曲线中未示出，但是在换热器44’在150°C下操作时，使 用气体换热器44’来预加热进入反应器42’的反应气体混合物导致反应器42’中约20-25% 的效率增益。
本发明的各个实施例的上述说明本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本 发明的范围、其应用或用途。
权利要求
一种方法，包括提供氢存储罐，所述氢存储罐封装氢存储材料，所述氢存储材料包括具有可解吸的氢的至少一种吸氢材料；从所述氢存储罐提供第一氢气流；使所述第一氢气流的至少一部分分流以形成第二氢气流；将所述第二氢气流和氧气流输送给催化加热器，所述催化加热器包括催化剂，所述催化剂利于所述第二氢气流和所述氧气流中的至少一些的燃烧以产生热量；将所述热量中的至少一些传输给所述氢存储材料以从所述至少一种吸氢材料解吸所述可解吸的氢中的至少一些。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述第二氢气流和所述氧气流输送给催化 加热器之前将所述第二氢气流和所述氧气流混合成反应气体混合物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，将反应气体混合物输送给催化加热器包括将反 应气体混合物输送给包括气体换热器和反应器的催化加热器，所述气体换热器构造和设置 成在反应气体混合物进入所述反应器之前预加热反应气体混合物，所述反应器包括催化剂 且构造和设置成传送和燃烧反应气体混合物并进一步传送热传递流体，使得所述热量中的 至少一些传递给所述热传递流体。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，将反应气体混合物输送给催化加热器包括将反 应气体混合物输送给包括反应器的催化加热器，所述反应器包括一个或多个热传递层，所 述热传递层包括用于传送和燃烧反应气体混合物的气流通道和用于传送热传递流体的液 流通道，所述气流通道包括含有催化剂的翅片。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，将反应气体混合物输送给催化加热器包括将反 应气体混合物输送给包括气体换热器的催化加热器，所述气体换热器包括一个或多个热传 递层，所述热传递层包括用于传送反应气体混合物的入口气流通道和用于从所述反应器送 出燃烧产物的出口气流通道。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述热量中的至少一些传递给氢存储材料包 括通过使热传递流体在所述催化反应器和所述氢存储罐之间循环而将所述热量中的至少 一些间接地传递给氢存储材料。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，将反应气体混合物输送给催化加热器包括将反 应气体混合物输送给位于氢存储罐中的催化加热器，所述催化加热器接触或者紧邻氢存储 材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，将反应气体混合物输送给催化加热器包括将反 应气体混合物输送给包括气体分配构件和催化剂容纳外壳的催化加热器，所述气体分配构 件包括穿孔，所述催化剂容纳外壳包括外表面和包含催化剂的内表面，所述催化剂容纳外 壳容纳所述气体分配构件，使得在所述气体分配构件和所述催化剂容纳外壳的内表面之间 形成环状部，以传送和燃烧反应气体混合物从而产生热量。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，将反应气体混合物输送给催化加热器包括将反 应气体混合物输送给包括气体分配构件的催化加热器，所述气体分配构件包括细长中空 管，沿所述细长中空管的轴向长度所述细长中空管包括大致均勻分布的穿孔，以将反应气 体混合物均勻地分散到环状部中。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，将所述热量中的至少一些传递给氢存储材料包 括将所述热量中的至少一些从所述催化剂容纳外壳的外表面直接地传递给氢存储材料。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，提供氢存储罐包括提供封装氢存储材料的氢存 储罐，所述氢存储材料包括至少一种金属氢化络合物。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，提供氢存储材料包括提供包括铝氢化物、硼氢 化物或氨基化合物中的至少一种的氢存储材料。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，提供氢存储材料包括提供包括NaAlH4、LiAlH4、 LiBH4、CaBH4或LiNH2中的至少一种的氢存储材料。
14.一种方法，包括提供氢存储罐，所述氢存储罐构造成提供第一氢气流给氢消耗装置且提供第二氢气流 给催化加热器，所述氢存储罐限定有罐内部，所述罐内部包含氢存储材料，所述氢存储材料 包括具有可解吸的氢的金属氢化络合物，所述催化加热器包含催化剂，所述催化剂能够利 于氢气和氧气的燃烧；将所述第二氢气流与环境空气形式的氧气流混合，以形成反应气体混合物；将所述反应气体混合物输送给所述催化加热器，使得所述反应气体混合物与催化剂相 互作用且至少部分地燃烧以产生热量；将所述热量中的至少一些从所述催化加热器直接地传输给所述氢存储材料或者借助 于在所述氢存储罐和所述催化加热器之间循环的热传递流体而间接地传输给所述氢存储 材料，以从所述至少一种金属氢化络合物解吸所述可解吸的氢中的至少一些。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将反应气体混合物输送给所述催化加热器包 括将反应气体混合物输送给气体换热器和反应器，所述气体换热器构造和设置成在反应气 体混合物进入所述反应器之前预加热反应气体混合物，所述反应器包含催化剂且构造和设 置成传送和燃烧反应气体混合物以产生热量和燃烧产物并进一步传送热传递流体，使得所 述热量中的至少一些传递给所述热传递流体，其中，将所述热量中的至少一些传输给所述 氢存储材料包括通过使热传递流体在所述催化反应器和所述氢存储罐之间循环而将所述 热量中的至少一些间接地传输给所述氢存储材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，将反应气体混合物输送给所述催化加热器包 括将反应气体混合物输送给气体换热器和反应器，所述气体换热器包括一个或多个热传递 层，所述热传递层包括用于传送反应气体混合物的入口气流通道和用于从所述反应器送出 燃烧产物的出口气流通道，所述反应器包括一个或多个热传递层，所述热传递层包括用于 传送和燃烧反应气体混合物的气流通道和用于传送热传递流体的液流通道，所述气流通道 包括含有催化剂的翅片。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，将反应气体混合物输送给所述催化加热器包 括将反应气体混合物输送给位于所述氢存储罐的罐内部内的催化加热器，使得所述催化加 热器接触或者紧邻氢存储材料，所述催化加热器包括气体分配构件和催化剂容纳外壳，所 述气体分配构件包括穿孔，所述催化剂容纳外壳包括外表面和包含催化剂的内表面，所述 催化剂容纳外壳容纳所述气体分配构件，使得在所述气体分配构件和所述催化剂容纳外壳 的内表面之间形成环状部，以传送和燃烧反应气体混合物，且其中，将所述热量中的至少一 些传递给氢存储材料包括将所述热量中的至少一些从所述催化剂容纳外壳的外表面直接地传递给氢存储材料。
18.一种系统，包括氢存储罐，所述氢存储罐封装氢存储材料，所述氢存储材料包括具有可解吸的氢的至 少一种吸氢材料；氢消耗装置，所述氢消耗装置从所述氢存储罐接收第一氢气流；催化加热器，所述催化加热器接收氧气流和来自所述氢存储罐的第二氢气流，所述催 化加热器包含催化剂，所述催化剂利于所述第二氢气流和所述氧气流的燃烧以产生热量；其中，所述第二氢气流和所述氧气流的燃烧产生的热量中的至少一些被传输给所述氢 存储材料以从所述至少一种吸氢材料解吸所述可解吸的氢中的至少一些。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述催化加热器通过在所述催化反应器和所 述氢存储罐之间循环的热传递流体将热量间接地传输给所述氢存储材料，所述催化加热器 包括气体换热器和反应器，所述气体换热器包括构造和设置成预加热反应气体混合物的一 个或多个热传递层，所述气体换热器的所述一个或多个热传递层包括用于传送反应气体混 合物的入口气流通道和用于从所述反应器送出燃烧产物的出口气流通道，所述反应器包括 一个或多个热传递层，所述反应器的所述一个或多个热传递层包含催化剂且构造和设置成 传送和燃烧反应气体混合物并进一步传送热传递流体，使得所述热量中的至少一些传递给 所述热传递流体，所述反应器的所述一个或多个热传递层包括用于传送和燃烧反应气体混 合物的气流通道和用于传送热传递流体的液流通道，所述气流通道包括含有催化剂的翅 片。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述催化加热器将所述热量直接传递给所述 氢存储材料，所述催化加热器设置在所述氢存储罐的罐内部内且接触或者紧邻氢存储材 料，所述催化加热器包括气体分配构件和催化剂容纳外壳，所述气体分配构件包括穿孔，所 述催化剂容纳外壳包括外表面和包含催化剂的内表面，所述催化剂容纳外壳容纳所述气体 分配构件，以在在所述气体分配构件和所述催化剂容纳外壳的内表面之间形成环状部，以 传送和燃烧反应气体混合物，使得所述热量中的至少一些从所述催化剂容纳外壳的外表面 直接地传递给氢存储材料。
全文摘要
本发明涉及用于氢存储材料的加热系统。已经提出了能够提供热量给设置在氢气存储罐中的氢存储材料的辅助加热系统，所述氢存储材料可包括至少一种吸氢材料。这些辅助加热系统涉及在催化加热器中催化燃烧氢气和氧气，以产生热量和燃烧产物。然后，由催化燃烧产生的热量可间接地或直接地传输给氢存储材料，以促进可能存储在所述至少一种吸氢材料中的额外的可解吸的氢的释放。
文档编号F17C11/00GK101852333SQ20091017438
公开日2010年10月6日 申请日期2009年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者D·E·德德里克, M·P·卡诺夫, T·A·约翰逊 申请人:通用汽车环球科技运作公司