[发明专利]集成式氢能制取存储和循环利用设备

说明书

技术领域

本发明涉及可再生能源利用技术，具体地指一种适用于氢燃料电池系统的集成式氢能制取存储和循环利用设备。

背景技术

随着社会经济的持续高速发展，对能源的需求量越来越大，导致作为主要能源的传统矿物化石燃料在迅速消耗减少，我国乃至世界都存在长期而巨大的能源需求和供应压力，由此产生的世界性能源危机不断向人类敲响警钟，越来越多的科研人员不得不努力发掘可再生利用的新能源。

另外，传统矿物化石燃料带给人类生存环境的显性和隐性威胁也不容小觑，其中大气温室效应是人类所面临的最主要的环境污染问题，也一直是近十几年来世界各国科研人员需要共同克服的难题。一方面，大型工业中如燃煤电站、冶金、钢铁、水泥等行业产生的二氧化碳是主要的温室气体，解决大气温室效应的有效途径便是减少这些工业二氧化碳的排放。另一方面，随着城市的快速发展，汽车数量在不断增加，特别是在中国等快速发展的国家，汽油、柴油燃烧所产生的汽车尾气排放量也呈指数上升趋势，其排放物主要有一氧化碳、烃类化合物、硫氧化合物和氮氧化合物，这些化合物对环境与人类的危害极大。

为了解决上述难题，科研人员想到了采用氢能源作为燃料电池装置。氢燃料电池装置由于具有以下几个显著优势，已受到许多发达国家的广泛重视：第一，该电池装置的燃料是氢气和氧气，其生成物是清洁的水，它本身工作时不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和其他有害微粒排出；第二，与传统燃用汽油或柴油的汽车相比，采用氢燃料电池装置的汽车能量转化效率高达60～80％，为普通汽油或柴油内燃机的2～3倍；第三，该电池装置污染少，噪音小，电池组装可大可小，使用灵活方便。但其劣势也是显而易见的，成本问题仍然是制约氢燃料电池装置发展的关键所在，除了氢能制取本身的电量消耗很高外，更受限制的是氢能存储和释放条件较为苛刻，同时氢能在转化利用过程中还存在较多的安全隐患，以上所述缺陷始终是氢燃料电池装置实现商业化的桎梏。

目前，氢能储存的方式大致分为物理储氢和化学储氢两类。物理储氢主要有高压罐储氢、液化储氢、物理吸附储氢等。高压罐储氢的优点在于成本低、能够耐高压，缺点是存在易燃易爆的潜在危险。液化储氢采用低温真空贮罐，其储存量达高压罐储氢量5倍以上，能量密度极高，但由于氢气液化的成本十分高昂，使用条件极为苛刻，故仅应用于航空航天领域。物理吸附储氢主要是利用活性碳、氟石、海泡石等超高比表面积材料吸附氢分子，虽然其具有安全可靠、储存容器自重低、储氢效率高的特点，但大都还处于试验阶段，短期内难有实质性的突破。

化学储氢主要有金属氢化物储氢、配位氢化物储氢、金属或化合物与水反应储氢、以及有机物储氢等。金属氢化物储氢是指某些过渡金属、合金、金属间化合物由于其特殊的晶格结构等原因，在一定条件下氢原子比较容易进入金属晶格的四面体或者八面体间隙中，形成金属氢化物，其储氢体积密度大，可达100kg/m³，但其质量比较大，并且在放氢时的条件苛刻，因而其成本较高，利用率较低，这也限制了它在氢燃料电池系统中的利用。配位氢化物储氢是指两个或者三个轻金属如Mg、Al、B或Li等与氢形成的化合物，其储氢量很高，并且有价格优势，但现阶段仍处于研发过程中，进一步提高其吸收和释放氢气的循环次数是目前研究的核心。金属或化合物与水反应储氢，例如较活泼金属与水反应可放出氢气，这样在需要氢气时可通过化学反应不断供给氢气，在不需要氢气时停止反应，但其反应速率控制极为不易。而不活泼金属与水反应的局限性较大，放出氢气量偏小，反应效率太低，不足以实际应用。有机储氢是借助不饱和液态有机物催化加氢脱氢的可逆反应实现的。此方法虽然储氢量较高，也便于运输，但其脱氢吸氢的条件较为苛刻，并且催化剂极易中毒失活。

因此，本领域技术人员一直试图为氢燃料电池系统寻找一种对氢能的存储和释放限制性条件少、且氢能利用快捷高效安全的辅助设备，但至今为止尚未获得理想的结果。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种结构简单、成本低廉、储氢和放氢效果好、氢能循环利用率高、运行稳定安全、且特别适用于氢燃料电池系统的集成式氢能制取存储和循环利用设备。

为实现上述目的，本发明所设计的集成式氢能制取存储和循环利用设备，包括太阳能发电电源、电解水制氢装置、高压储氢缓冲罐、金属氢化物储氢罐、氢燃料电池装置和热介质循环管系，其特殊之处在于：

所述太阳能发电电源的输出端与电解水制氢装置的电源接口相连，所述电解水制氢装置的氢气输出端通过氢气压缩机与多通道控制阀的总进气端相连；