一种新型两步氢能加注方法及其应用

技术领域

本发明涉及氢能利用技术领域，尤其涉及一种新型两步氢能加注方法及其应用。

背景技术

在全球绿色低碳转型趋势下，氢气作为一种清洁的高效的可再生能源，已成为新一轮能源技术的变革方向，世界各国和地区正围绕氢能源加快全产业链布局。

氢的储运是“制储输用”氢能产业链中的瓶颈问题。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。与其他储氢方式相比，固态储氢具有安全性好(吸/放氢平台<1MPa)、体积储氢密度高(>100kg/m

氢能加注系统是氢能应用的基础，而缺乏合适的氢能加注方式也是制约固态储氢产业化应用的重要因素。传统上，储氢系统的氢能加注采用“氢气加注”的方式进行。该方法存在安全性差、加氢慢与成本高的缺点。

上述氢能加注方式，需要施加较高氢压(约5MPa)，才能实现储氢合金材料快速、充分地吸氢。但由于氢能加注过程中的氢气压力较高，储氢合金材料吸氢会伴随放热以及体积膨胀的现象，加注过程存在较高的安全风险。而储氢合金材料的吸氢反应需要一定反应时间，同时伴随的放热会导致内部温度上升，吸氢平台上升而降低氢能加注速率。最后，为了抵抗吸氢反应的高压与体积膨胀，需要使用特种的耐高压的储氢容器、阀门与管道，使得储氢系统的成本居高不下。

高压气态、低温液态或有机液态储氢系统的氢能加注是以相应的物态(气态、液态或有机溶液)的方式进行。但是固态储氢系统的氢能加注却是以氢气加注，在储氢容器内进行气固反应的形式进行。因此，固态储氢系统加氢的问题，是由于加氢与储氢是氢能的形态不统一而造成的。

因此，针对上述技术问题，如何基于固态储氢技术实现加氢与储氢形态的统一，构建安全、高效、低成本固态氢能加注系统是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种新型两步氢能加注方法及其应用，本发明将“氢气加注”的氢能加注方法拆分，转变为“氢能固化→氢化物加注”的两步固态氢能加注方法，从而提高车载储氢系统的安全性与加注速率，并降低系统成本。

本发明的目的是提出了一种新型两步氢能加注方法，将氢能固化后以氢化物为能量载体进行加注，具体包括以下步骤：储氢合金材料在氢化物工厂吸氢，形成安全、高容量的氢化物；然后，通过氢能输送体系，将氢化物加注到氢能器件或氢能载具中，并回收放氢产物到氢化物工厂进行再生；所述的氢化物工厂包括用于加入储氢合金材料与氢气制备氢化物的吸氢装置和用于把氢化物规模化储存起来的储氢装置；所述的氢能输送体系包括设置有储存氢化物/放氢材料的中转罐的运输装置与加注装置，用于将氢化物/放氢产物在氢化物工厂与各加氢站点之间运输，而加注装置位于加氢站点内，为氢能器件或氢能载具进行氢化物加注并回收放氢产物。

本发明提出一种新型两步氢能加注方法，该方法特征为将氢能加注分为“氢能固化→氢化物加注”两步，具体包括以下步骤：

氢能固化：储氢合金材料在氢化物工厂中进行吸氢反应，将氢能固化下来，形成安全高效的氢化物；

氢化物加注：通过氢能输送体系，将氢化物运输到各加氢驿站的加注装置中，为各种氢能器件或氢能载体加注氢化物，实现氢能的固态加注，并收集放氢产物。

优选地，所述的氢能器件为氢能充电宝、风扇与电动自行车等小型氢燃料电池电器。所述的氢能载具为氢能公交车、氢能货车与船舶等中、大型氢燃料电池载具。

优选地，所述的储氢合金材料为TiMn

进一步优选，所述的TiMn

本发明还保护所述的方法在分布式/沿途固态氢能加注方法中的应用。

优选地，所述的分布式固态氢能加注方法，包括如下步骤：

S1、储氢合金材料在氢化物工厂中进行吸氢反应，将氢能固化下来，形成安全高效的氢化物，具体为吸氢装置内将储氢合金材料与高压氢气制备氢化物，再将得到的氢化物通过储氢装置规模化储存起来；

S2、通过氢能输送体系，将氢化物运输到加注装置中，为每个加注装置注入氢化物，加注装置为氢能器件注入氢化物，并收集放氢产物。

优选地，所述的沿途固态氢能加注方法，包括如下步骤：

S1、储氢合金材料在氢化物工厂中进行吸氢反应，将氢能固化下来，形成安全高效的氢化物，具体为吸氢装置内将储氢合金材料与高压氢气制备氢化物，再将得到的氢化物通过储氢装置规模化储存起来；

S2、通过氢能输送体系，将氢化物运输到具有固定路线氢能载具的加氢站点内，加注装置为氢能载具注入氢化物，并收集放氢产物。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有安全性高、成本低、灵活性强以及快速加注的优点：

1)安全性高：将吸氢反应置于氢化物工厂中进行，有利于集中管控高压氢气、放热与体积膨胀所造成的风险。在氢化物工厂以外，氢能以氢化物的形式存在，可以安全、高效地进行流通与分配，适合在人流密集的市区使用。

2)快速加注：氢化物的加注属于物理过程，加注期间无需通氢或换热，氢能的加注速率等于氢化物的加注速率，可以实现快速加注。

3)成本低：由于在流通环节不会出高压氢气或膨胀等安全问题，仅需要普通罐体密封保存氢化物即可，可大幅度降低系统材质要求与成本。

4)灵活性强：具有异步处理的特点，可以在吸氢装置中进行耗时的吸氢反应，同时加注装置为氢能车辆/船舶充能，两者互不影响。

附图说明

图1为实施例1和实施例2中Ti

图2为本发明提出的新型两步氢能加注方法的布局示意图；

图3为本发明实施例1分布式固态氢能加注方法的布局示意图；

图4为本发明实施例2沿途固态氢能加注方法的布局示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。以下实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，视为可以通过常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

实施例1：分布式固态氢能加注方法

分布式固态氢能加注方法的示意图如图3所示，用于为路线随机的氢能自行车充能。该系统由氢化物工厂与氢能输送体系组成。其中，氢化物工厂有2个吸氢装置与1个储氢装置，而氢能输送体系则包括氢化物运输车与4个加注装置。采用TiMn

氢化物工厂的吸氢装置可以装载储氢合金材料100kg，通入压力为5MPa的氢气，每次固化氢气量为1.8kg H

氢能自行车分步加注方法的运行步骤如下：

1.1000kg的TiMn

2.氢化物运输车将氢化物运输到加氢站点中，并为每个加氢装置注入100kg的氢化物(储氢量7.2kg H

此外，氢能充电宝、氢能风扇等氢能家用电器也可以采用类似的方式，进行安全、快速的充能。

实施例2：沿途固态氢能加注方法

沿途固态氢能加注方法的示意图如图4所示，用于为具有固定路线的氢能船舶充能。氢化物工厂与氢能输送体系组成。其中，氢化物工厂有2个吸氢装置与1个储氢装置，而氢能输送体系则包括氢化物运输车与4个加注装置。采用TiMn

氢化物工厂的吸氢装置可以装载储氢合金材料500kg，通入压力为5MPa的氢气，每次固化氢气量为9.0kg H

氢能船舶分步加注系统的运行步骤如下：

1.为了提高吸氢效率，4000kg的LaNi

2.氢化物货车将4000kg氢化物运输到加氢驿站中的加氢装置中(储氢量30kgH

3.为2艘次氢能船舶充能后，加氢装置中的氢化物耗尽。氢化物货车为加氢驿站再次加注氢化物，并回收放氢产物送到氢化物工厂进行重新吸氢。

此外，具有固定线路的氢能公交车、氢能货车也可以采取类似的方式进行安全、快速的充能。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。