一种分布式固态储氢方法及其应用

本发明涉及固态储氢，尤其涉及一种分布式固态储氢方法及其应用。

背景技术：

1、氢能及储能技术是21世纪全球能源转型升级的重大战略需求，随着“双碳”目标的深入推进，氢能产业进入了人们的视野。氢能可以把光伏、风电等不稳定的可再生能源高密度存储起来，既解决了风光发电波动性强、利用难的问题，也将改变目前过度依赖化石能源制氢的现状，助力实现“双碳”目标。加氢站作为燃料电池汽车加注所需的燃料的基础设施，在氢能行业中具有重要的地位。

2、氢气储运的技术分主要以下三类：气态储运、液态储运和固态储运。在各种储运加注技术中，目前国际和国内主要采用高压储运技术。虽然高压储氢的设备结构简单、制备能耗较低、可实现快速充放等优点，但由于氢气的密度小，高压储氢密度较低、设备笨重，储运效率低，因为压力很高，储运过程中存在着易泄露、易爆炸的安全危险。固态储氢技术，具有安全性好(吸/放氢平台<1mpa)、体积储氢密度高等优点，可以用于分布式热电联供、制氢现场缓存、储热和金属氢化物压缩机等领域。

3、目前固体储运系统都是将储氢材料储存的罐体、加热取热模块以及控制系统进行集成或者撬装，其整体具备吸氢、放氢和储氢的功能，通过整体的搬运实现氢气的运输储存。这种一体式储氢方式虽然使用较为方便，但运输过程需要将整个系统或者撬块进行运输，存在氢气储运效率低，操作不灵活的问题，同时由于储氢系统长期运输和搬运会影响使用寿命。

4、专利cn 116293426a提供一种氢气储运系统，该系统采用分体式模块化方案，该发明包括储氢模块、加氢模块和放氢模块。其中加氢模块作为固定设备放置在加氢氢源地，放氢模块作为固定设备放置在加氢站等氢气使用场所，仅仅储氢模块作为氢气的载体进行运输，具有运输效率高、操作灵活与使用寿命长的优点。

5、然而，上述方案中储氢模块与加氢装置/放氢模块之间有较多活动的接口，导致高压加氢的过程中存在较多漏气的风险点。储氢合金材料仍依附于储氢模块，未实现储氢合金材料与反应装置之间的完全解耦，难以实现氢能的高效、大容量储存。储氢模块在加氢过程中需要承受较高氢压，需要使用耐高压的罐体、管道与阀门，导致系统成本较高。最后，储氢模块与加氢装置/放氢模块之间只能匹配使用，操作灵活性较差。

6、因此，针对上述技术问题，如何在设计一种安全、高效、低成本且操作灵活的固态氢能储运系统是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种分布式固态储氢方法及其应用，该方法将储氢合金材料与反应装置独立开来，储氢合金材料在不同装置中分别进行吸氢、储氢、放氢与收集等过程，由传统的一体式固态储氢方法转变为“多次吸氢+规模储氢+灵活用氢+收集备用”的分布式固态储氢方法，能有效的解决系统性能、安全性与成本的问题。

2、本发明的目的是提出了一种分布式固态储氢方法，储氢合金材料与反应装置相对独立，并在各反应装置中分别进行吸氢-储氢-放氢-收集的循环过程，反应装置包括吸氢装置、储氢装置和放氢装置，具体包括以下步骤：将氢气通过吸氢装置内的储氢合金材料形成氢化物实现吸氢，再将氢化物输送到储氢装置内储存，需要使用时将氢化物输送到放氢装置中进行放氢，放氢产物输送到收集装置中保存，以备后续吸氢使用。本发明提出的固态储氢方法中各装置由不锈钢罐或铝合金罐组成。

3、固态储氢可以分为吸氢、储氢、放氢与收集等个过程，其中吸氢、放氢与储氢/收集的工作条件十分不同(如表1所示)。如果将这些过程都集中在一个罐体中进行，造成系统性能低下、安全性差与成本高的问题。本发明将各过程拆分，使得储氢合金材料与反应装置相对独立，并在各反应装置中分别进行吸氢-储氢-放氢-收集的循环过程，构成分布式固态储氢方法，能有效提高系统性能与安全性，同时大幅度降低系统成本。

4、表1固态储氢技术的全过程分析

5、

6、本发明提出的分布式固态储氢方法，其由“多次吸氢+规模储氢+灵活用氢+收集备用”四个过程组成，如图1所示：

7、(1)多次吸氢：储氢合金材料在吸氢装置中以少量多次的方式吸氢，高效地形成氢化物；

8、(2)规模储氢：将氢化物输送到储氢装置中规模化、常温常压保存；

9、(3)灵活用氢：在需要使用的时候，将氢化物输送到放氢装置中使用。

10、(4)收集备用：放氢产物传输到收集装置中保存，准备下一次吸氢。

11、优选地，所述的吸氢装置内部设置有传热装置与温度传感器，储氢合金材料从吸氢装置的进料口输入，然后通过吸氢装置的加氢口通入氢气进行吸氢，传热装置根据设定温度通过控制冷却介质的流量，以使所述储氢合金材料的温度控制在设定温度，吸氢结束后，氢化物从吸氢装置的出料口输出，进入储氢装置中。传热装置内设置的冷却介质优选为冷水，其温度根据实际设定的温度来选择即可。

12、吸氢装置，为小型、高压储氢罐，具有连接口3个(进料口与出料口各1个、加氢口1个)，内置传热装置与温度传感器，放置在加氢站或储能站。吸氢过程是个放热过程，传热装置根据设定温度通过控制所述冷却介质的流量，以使所述储氢合金材料的温度控制在设定温度。吸氢结束后，氢化物从出料口输出，进入储氢装置中。

13、优选地，所述的储氢装置为用于在常温常压的状态下规模化储存氢化物的储氢容器。储氢装置为大型、低压储氢罐，具有连接口2个(进料口与出料口各1个)。

14、优选地，所述的放氢装置内置传热装置与温度传感器，将储氢装置中的氢化物通过放氢装置的进料口输入放氢装置，然后加热氢化物进行供氢，传热装置根据设定温度通过控制加热介质的流量，以使所述储氢合金材料的温度控制在设定温度。放氢结束后，氢化物从出料口输出，进入收集装置中。传热装置内设置的加热介质优选为热水，其温度根据实际设定的温度来选择即可。

15、放氢装置，为小型、低压储氢罐，具有连接口3个(进料口与出料口各1个、供氢口1个)，内置传热装置与温度传感器，放置在氢气应用场所。吸氢过程是个吸热过程，传热装置根据设定温度通过控制所述加热介质的流量，以使所述储氢合金材料的温度控制在设定温度。放氢结束后，氢化物从出料口输出，进入收集装置中。

16、收集装置为大型、低压储氢罐，具有连接口2个(进料口与出料口各1个)，用于在常温常压的状态下规模化储存放氢产物(储氢合金材料)。

17、优选地，所述的储氢合金材料为lani5稀土基储氢合金或timn2基储氢合金。

18、进一步优选，所述的lani5稀土基储氢合金为所述的lani5稀土基储氢合金为la1-xcexni5合金，其中x＝0.1～0.8。该系列合金具有较高的储氢容量(1.4～1.6wt％)、合适吸/放氢平台，较低的吸/放氢平台滞后以及良好循环稳定性。

19、进一步优选，所述的timn2基储氢合金为ti1-xzrxmn1.98-y(v-fe)y合金，其中x＝0～0.20，y＝0～0.6。该系列合金具有较高的储氢容量(1.6～2.0wt％)、合适吸/放氢平台，较低的吸/放氢平台滞后以及良好循环稳定性。

20、本发明还保护所述的分布式固态储氢方法在本地/异地分布式储氢/储能方法中的应用。

21、优选地，所述的本地/异地分布式储氢方法，包括如下步骤：

22、s1、吸氢过程：在两个装有储氢合金材料的吸氢装置中轮流进行吸氢，形成氢化物；

23、s2、储氢过程：将氢化物输送到本地/异地的储氢装置中，规模化储存；

24、s3、放氢过程：需要使用时，将储氢装置中的氢化物输送到两个放氢装置中，轮流供氢；

25、s4、收集过程：将放氢装置中的放氢产物输送到本地/异地的收集装置中，为后续吸氢过程做准备，实现储氢合金材料的循环使用。

26、上述储氢合金材料在各装置之间通过螺旋运输机或者氢能货车上的中转罐进行本地或异地的输送。连接口内设置有锁闭装置，当连接口之间连接时，锁闭装置开启，反应装置之间连通；当连接口之间分离时，锁闭装置自动关闭，各反应装置密闭。

27、优选地，所述的异地分布式供能方法，包括如下步骤：

28、s1、吸氢过程：在两个装有储氢合金材料的吸氢装置中轮流进行吸氢，形成氢化物；

29、s2、储氢过程：将氢化物输送到储氢装置中，规模化储存；

30、s3、放氢过程：需要使用时，将储氢装置中的氢化物输送到放氢装置中，放氢装置与燃料电池联用供电；

31、s4、收集过程：将放氢装置中的放氢产物输送到收集装置中，为后续吸氢过程做准备，实现储氢合金材料的循环使用。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据固态储氢技术特点，由一体式固态储氢方法转变为“多次吸氢+规模储氢+灵活用氢+收集备用”的分布式固态储氢方法，能有效的解决系统性能、安全性与成本的问题。具体来说有以下优点：

33、1、高性能，能实现规模化储氢，且具有快速吸放氢与高的灵活性。

34、1)规模化储氢：储氢装置只需要高密度的储存氢化物，无需安装换热装置，可以有效提高系统储氢密度。传统储氢方式中，需要考虑吸放氢的热效应，目前最大的储氢规模只有100kg h2，本专利实现了材料与系统的解构，储氢规模可以轻易的超过100kg h2。

35、2)快速反应：基于多次吸氢的特点，可以将吸氢装置与放氢装置的规模大幅度减少，缩短传热距离而提高热传递效率，实现系统的快速反应。

36、3)高灵活性：可以很方便的扩展储氢装置的容量与吸/放氢装置的数量，提高系统的总储氢量与吸/放氢速率。

37、2.高安全性：吸氢反应需要高压氢气，且出现放热与体积膨胀，较为危险。分布式固态储氢方法中，吸氢过程安全内单独进行，可以连接高压氢气管道方便加氢，同时也能有效管控加氢的风险，有效提高整个储氢系统的安全性。

38、3.低成本：传统上，需要将所有储氢材料装载到一个大型装置中，为了抵抗吸氢过程的高压，储氢系统需要用耐压容器、阀门与管道，同时需要安装换热装置提高反应速率，造成系统价格高昂。分布式固态储氢方法中，只有吸氢装置需要使用耐压件，其余装置只需要密封，可以大幅度节省系统造价。