[發(fā)明專利]用于氫氣可控儲存的方法和裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201880055564.1
• 申請日: 2018-08-09
• 公開（公告）號: CN111032565A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尼爾·英格力士;克里斯蒂安·伯恩翰
• 申請（專利權(quán)）人: 愛爾蘭國立大學(xué)都柏林大學(xué)學(xué)院
• 主分類號: C01B3/00
• 分類號: C01B3/00;C10L3/10;F17C1/00;F17C11/00
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司 44202
• 代理人: 熊永強

一種用于經(jīng)由施加電磁場來控制籠形包合物水合物結(jié)構(gòu)中的氫氣儲存的方法和裝置。所施加的電磁場可用于控制氣體從所述籠形包合物水合物結(jié)構(gòu)的釋放和/或氣體到所述籠形包合物水合物結(jié)構(gòu)中的吸收。所述電磁場被布置成通過刺激籠形包合物晶格中致使通往保存袋中的孔隙彎曲張開的振動來促進氣體分子在所述晶格中的所述保存袋之間“跳躍”和“跳”出所述保存袋。有利的是，所述電磁場可具有被選用于促進氣體釋放或氣體吸收速率增加而不致使所述晶格離解的性質(zhì)。在這種情況下，本發(fā)明可以為可保存在籠形包合物水合物結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何氣體提供高能效、可再裝填的按需供應(yīng)系統(tǒng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及籠形包合物水合物結(jié)構(gòu)用于儲存諸如氫氣、丙烷、甲烷、二氧化碳等氣體的用途。具體地，本發(fā)明涉及用于以可控方式控制氣體(例如氫氣)從籠形包合物水合物中釋放或?qū)⑺鰵怏w引入(或吸收)到所述籠形包合物水合物中的方法。

背景技術(shù)

眾認(rèn)的是用于將太陽輻射轉(zhuǎn)換成氫氣的已知技術(shù)可以實現(xiàn)效率，所述效率原則上可以提供基于氫的能源經(jīng)濟的基礎(chǔ)。例如，收獲約0.3-0.5％的入射太陽輻射(總計約120,000TW)并以約9-10％的太陽能至氫氣效率轉(zhuǎn)化成H₂將滿足世界人口的家用、運輸和工業(yè)需求。

然而，為了使氫的生產(chǎn)(從太陽能或任何其他來源)成為經(jīng)濟上可持續(xù)的現(xiàn)實，仍然需要解決經(jīng)濟上可行的大規(guī)模(即能夠?qū)W(wǎng)做出有意義的貢獻)氫氣儲存的問題。具體地，需要一種便于按需使用并且理想地可以并入到現(xiàn)有氣體傳輸網(wǎng)中的儲存技術(shù)。

已知有某些用于氫氣的化學(xué)儲存技術(shù)，諸如基于金屬氫化物(例如，鋁氫化鈉、氫化鎂、氫化鑭鎳)或以氨作為載體的化學(xué)儲存技術(shù)。然而，此類技術(shù)通常表現(xiàn)出不利的能量平衡特性。從提供大規(guī)模、廉價、低能耗的儲存的觀點來看，更可能的是以廉價且易得的材料進行物理儲存將提供可行的解決方案。

一種類型的已知氫氣物理儲存是籠形包合物水合物。這些結(jié)構(gòu)是非化學(xué)計量的包合化合物，在所述包合化合物中由水分子組成的主晶格將小客體分子關(guān)在空腔中。空晶格是不穩(wěn)定的；其存在是由于捕獲溶質(zhì)的包封導(dǎo)致的氫鍵穩(wěn)定化。

圖1示出了籠形包合物水合物的sI多晶型物和sII多晶型物的晶格構(gòu)型。已經(jīng)表明，氫氣可以在高壓和低溫條件(200MPa和250K)下接近6.5重量％地大量儲存在此類結(jié)構(gòu)中。圖1所示的sI多晶型物和sII多晶型物均具有立方結(jié)構(gòu)，并且每個籠可容納一個(或多個)客體分子，其中兩個或更多個H2分子占據(jù)一個籠。sII水合物通常容納純氫氣，但是如四氫呋喃(THF)或甲烷等其它氣體的存在意味著可以在較低壓力下采用混合水合物。

已經(jīng)使用熱力學(xué)模型來預(yù)測籠形包合物水合物結(jié)構(gòu)在純凈條件和混合條件兩者下的儲存能力(其中在混合條件情況下四氫呋喃占據(jù)大sII空腔)。圖2是示出基于這些熱力學(xué)模型，儲存容量(按照氫氣的重量％計)如何隨壓力變化的圖表。圖2突出顯示了為3MPa(30巴)和30MPa(300巴)的壓力值，所述壓力值表示大多數(shù)工業(yè)加壓制氫廠中已經(jīng)可用的儲存壓力。從圖2中可以看出，從泵成本和壓力容器壁厚的角度，在混合THF-H2的情況下，在3MPa下約1.5重量％的容量提供了在容量與維持加壓的需求之間的很好折衷。

近年來，已經(jīng)執(zhí)行了涉及籠形包合物水合物中概念驗證的工業(yè)規(guī)模氫氣儲存的研究。這些研究表明，水合物條件下的儲存容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過低溫條件下的液化大容量儲存容量和氣體儲存的儲存容量。在3MPa時，混合水合物提供為16.5kg/m³或1.7GJ/m³的容量，所述容量遠(yuǎn)高于壓縮氣體(約1.5kg/m³)。在30MPa下，sII純H₂水合物提供了約2.8重量％的儲存，即約25kg/m³或2.6GJ/m³。這與低溫條件下的液化大容量儲存(約70kg/m³)和氣體儲存(約13kg/m³)相比是有利的，尤其是考慮到低溫儲存設(shè)施的巨大資本和運轉(zhuǎn)費用及其相關(guān)的安全問題。

發(fā)明內(nèi)容