[发明专利]一种高压储氢方法、装置及系统

说明书

本发明公开了一种高压储氢方法、装置及系统，包含有多个用于储氢的毛细管，在每毛细管中原位合成金属有机骨架吸附材料或共价有机化合物吸附材料；再将多个毛细管呈阵列集成后形成一个储氢管束；从储氢管束的一端接入外部压缩氢气，将氢气存储于储氢管束中的各毛细管中。本发明采用采用集成的高拉伸强度、内部原位填充金属有机骨架吸附材料或共价有机化合物吸附材料的低密度毛细管束进行氢气储存，组装灵活，储氢压力高，储氢能力强，实现在相对较轻的容器中储存高压氢气。

技术领域

本发明涉及储氢技术领域，具体涉及一种高压储氢方法、装置及系统。

背景技术

氢能作为一种绿色、清洁的新型能源，具有高燃烧热值、无污染的特点，是传统化石能源极具吸引力的替代品。燃料电池驱动的汽车通过氢气与空气结合，将化学能转化为电能来为汽车提供动力，而该反应的唯一产物是水，不存在污染物的排放，并且可以循环使用再生成氢气。氢能源的推广非常有望为缓解空气质量问题提供有效解决方案。

一直以来，氢气的存储和运输都是氢能应用发展的关键挑战。两个主要问题促使对现在的储氢系统进行革新。首先，氢作为原子半径最小的元素，在许多材料中具有非常高的渗透率。氢渗透会引起储氢材料内部结构发生改变，造成氢脆。氢脆会导致材料的延展性大大降低，进而极易发生开裂和失效。因此，高拉伸强度、不与氢反应以及低的氢扩散性是储氢材料所需的特性。再者，储气系统应可承受因压缩氢气带来的高压，且为了便于运输，这一系统必须是便携可移动的。目前常见的满足这些要求的氢气贮存系统都是由金属材料、合金和/或复合材料制成的，这些材料普遍较重，从而造成储气系统的体积密度和质量密度难以满足需求。

高压钢瓶是目前使用最广泛的储氢技术，它提供的重量和体积储氢密度分别为1wt％和16g/L。钢瓶的替代品包括液态氢储罐、复合材料氢储罐、吸附储氢、金属氢化物储氢方式等。

液态氢储罐通常只被用于大规模长距离的氢气运输，这是因为氢气液化装置的资本成本和能耗要求过高。虽然这是一项较为成熟的技术，但它很难有效的缩小规模。对于小型储罐，较高的表面/体积比造成的蒸发是一个主要问题。

为了减轻结构重量，纤维增强复合材料已知可被用于制造储氢罐。这类储氢罐的内衬通常由铝或聚合物制成，再经由玻璃或碳纤维包覆。这类储气罐可以提供的重量和体积储氢密度可以被提升到5wt％和26g/L。但由于碳纤维的生产成本较高，碳纤维制成的复合材料气瓶要比钢瓶价格高很多。

吸附储氢是通过物理吸附的方法将氢分子弱结合到吸附剂表面，然而只有在接近77K的低温下才能获得可观的储氢容量，商业化应用比较困难。

金属氢化物是通过氢气分子解离生成氢原子，占据金属、金属间化合物或合金的晶体结构中的间隙位点，形成金属氢化物。这种金属氢化物的形成往往伴随着吸收热的释放(通常为30-70kJ/mol)、晶体结构的膨胀(高达30％)以及循环时的爆裂/沉降效应。因此在这一系统中，热控制和对机械形变的控制十分重要。除此之外，过于昂贵的成本也是固体储氢商业化应用的一大障碍。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高压储氢方法、装置及系统，通过集成的高拉伸强度、内部原位填充MOF或COF材料的低密度毛细管束，其一端接入外部压缩氢气，将氢气存储于毛细管中，结构简单，使用高效，可重复充装氢气，成本低，实现在相对较轻的容器中储存高压氢气。

本发明采用如下技术方案：

一种高压储氢方法，包含有多个用于储氢的毛细管，在每毛细管中原位合成金属有机骨架吸附材料或共价有机化合物吸附材料；再将多个毛细管呈阵列集成后形成一个储氢管束；从储氢管束的一端接入外部压缩氢气，将氢气存储于储氢管束中的各毛细管中。

所述的在所述毛细管内部原位合成金属有机骨架吸附材料的方法如下：