用于氢气可控储存的方法和装置制造方法及图纸

一种用于经由施加电磁场来控制笼形包合物水合物结构中的氢气储存的方法和装置。所施加的电磁场可用于控制气体从所述笼形包合物水合物结构的释放和/或气体到所述笼形包合物水合物结构中的吸收。所述电磁场被布置成通过刺激笼形包合物晶格中致使通往保存袋中的孔隙弯曲张开的振动来促进气体分子在所述晶格中的所述保存袋之间“跳跃”和“跳”出所述保存袋。有利的是，所述电磁场可具有被选用于促进气体释放或气体吸收速率增加而不致使所述晶格离解的性质。在这种情况下，本发明专利技术可以为可保存在笼形包合物水合物结构内的任何气体提供高能效、可再装填的按需供应系统。

Methods and devices for hydrogen controlled storage

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于氢气可控储存的方法和装置
本专利技术涉及笼形包合物水合物结构用于储存诸如氢气、丙烷、甲烷、二氧化碳等气体的用途。具体地，本专利技术涉及用于以可控方式控制气体(例如氢气)从笼形包合物水合物中释放或将所述气体引入(或吸收)到所述笼形包合物水合物中的方法。
技术介绍
众认的是用于将太阳辐射转换成氢气的已知技术可以实现效率，所述效率原则上可以提供基于氢的能源经济的基础。例如，收获约0.3-0.5％的入射太阳辐射(总计约120,000TW)并以约9-10％的太阳能至氢气效率转化成H2将满足世界人口的家用、运输和工业需求。然而，为了使氢的生产(从太阳能或任何其他来源)成为经济上可持续的现实，仍然需要解决经济上可行的大规模(即能够对网做出有意义的贡献)氢气储存的问题。具体地，需要一种便于按需使用并且理想地可以并入到现有气体传输网中的储存技术。已知有某些用于氢气的化学储存技术，诸如基于金属氢化物(例如，铝氢化钠、氢化镁、氢化镧镍)或以氨作为载体的化学储存技术。然而，此类技术通常表现出不利的能量平衡特性。从提供大规模、廉价、低能耗的储存的观点来看，更可能的是以廉价且易得的材料进行物理储存将提供可行的解决方案。一种类型的已知氢气物理储存是笼形包合物水合物。这些结构是非化学计量的包合化合物，在所述包合化合物中由水分子组成的主晶格将小客体分子关在空腔中。空晶格是不稳定的；其存在是由于捕获溶质的包封导致的氢键稳定化。图1示出了笼形包合物水合物的sI多晶型物和sII多晶型物的晶格构型。已经表明，氢气可以在高压和低温条件(200MPa和250K)下接近6.5重量％地大量储存在此类结构中。图1所示的sI多晶型物和sII多晶型物均具有立方结构，并且每个笼可容纳一个(或多个)客体分子，其中两个或更多个H2分子占据一个笼。sII水合物通常容纳纯氢气，但是如四氢呋喃(THF)或甲烷等其它气体的存在意味着可以在较低压力下采用混合水合物。已经使用热力学模型来预测笼形包合物水合物结构在纯净条件和混合条件两者下的储存能力(其中在混合条件情况下四氢呋喃占据大sII空腔)。图2是示出基于这些热力学模型，储存容量(按照氢气的重量％计)如何随压力变化的图表。图2突出显示了为3MPa(30巴)和30MPa(300巴)的压力值，所述压力值表示大多数工业加压制氢厂中已经可用的储存压力。从图2中可以看出，从泵成本和压力容器壁厚的角度，在混合THF-H2的情况下，在3MPa下约1.5重量％的容量提供了在容量与维持加压的需求之间的很好折衷。近年来，已经执行了涉及笼形包合物水合物中概念验证的工业规模氢气储存的研究。这些研究表明，水合物条件下的储存容量远远超过低温条件下的液化大容量储存容量和气体储存的储存容量。在3MPa时，混合水合物提供为16.5kg/m3或1.7GJ/m3的容量，所述容量远高于压缩气体(约1.5kg/m3)。在30MPa下，sII纯H2水合物提供了约2.8重量％的储存，即约25kg/m3或2.6GJ/m3。这与低温条件下的液化大容量储存(约70kg/m3)和气体储存(约13kg/m3)相比是有利的，尤其是考虑到低温储存设施的巨大资本和运转费用及其相关的安全问题。
技术实现思路
总的来说，本专利技术提供了经由施加电磁场来控制笼形包合物水合物结构中的气体储存的方法和装置。所施加的电磁场可用于控制气体从所述笼形包合物水合物结构中释放和/或将所述气体引入(也称为吸收)到所述笼形包合物水合物结构中。所述电磁场被布置成例如通过刺激笼形包合物晶格中致使通往保存袋中的孔隙弯曲张开的振动来促进气体分子在所述晶格中的保存袋之间“跳跃”和“跳”出所述保存袋，所述保存袋通常称为笼或空腔。有利的是，所述电磁场可具有被选用于促进气体释放或气体吸收速率增加而不引起所述晶格的离解的性质。在这种情况下，本专利技术可以为可保存在笼形包合物水合物结构内的任何气体提供高能效、可再装填的按需供应系统。本专利技术可尤其用于氢气的储存和可控释放。根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于可释放地储存气体的方法，所述方法包括：在储存体积内形成笼形包合物水合物结构，所述笼形包合物水合物结构包含具有多个保存气体分子的空腔的晶格，在所述空腔中捕获了要储存的气体分子；以及将电磁场施加到所述储存体积以可控地从所述笼形包合物水合物结构释放所述气体或将所述气体引入所述笼形包合物水合物结构中。所述方法可以使气体的释放或吸收速率最优化。施加电磁场具有促进或刺激将气体以超过所述气体的自然“泄漏”或扩散的速率传递进出笼形包合物水合物结构的效应。释放气体还是将所述气体引入笼形包合物水合物内取决于周围环境。例如，如果周围环境是由高压氢源提供的，则将存在氢气到笼形包合物水合物结构中的净吸收。对于诸如氢等富含能量的气体，通过该技术可获得的能量的量可能远远超过维持笼形包合物水合物结构并产生电磁场所需的能量。因此，所述方法提供了用于储存和释放气体的高能效且可扩展的装置。如下面更详细解释的，所述方法还可以提供用于使用电磁场以通过在不引起晶格离解的情况下激发笼面弯曲来刺激气体释放和吸收到晶格中。在本文中，提及笼形包合物水合物可以指能够将分子捕获在晶格结构中形成的空腔内的任何基于结晶水的材料。晶格可以具有I型(sI)或II型(sII)晶体结构，或两者的混合物。可以使用其他多晶型类型，诸如sH。通常，可以以本文所述的方式通过电磁场来刺激由极性分子限定的任何含笼的晶格结构，并且应当理解的是此类晶格结构落入本公开的预期范围内。笼形包合物水合物结构可以在引物气体的存在下形成，所述引物气体提供分子来填充空腔的一些或全部，以确保笼形包合物水合物结构稳定。引物气体可以与要储存的气体相同或不同。例如，引物气体可以是丙烷，例如以用于填充sII结构中的较大空腔，而要储存的气体可以是单独供应的氢气。可以将要储存的气体作为源气体供应到储存体积中。笼形包合物水合物结构可以充当过滤器，以仅保存源气体中的一些(例如，较小的)分子。因此，如果要储存的气体是氢气，则源气体可以包含除氢气以外的分子，但是如果这些分子太大而不能进入晶格中的空腔内，则所述分子将被笼形包合物水合物结构有效地过滤掉。这种过滤效应的结果是从笼形包合物水合物结构中释放的气体具有高纯度水平。笼形包合物水合物结构可以以常规方式形成，例如通过在合适的温度和压力条件下将水与引物气体混合。可以在笼形包合物水合物结构形成之后施加源气体。所述方法可以包括在没有电磁场的情况下将气体储存在笼形包合物水合物结构内。储存体积中的温度和压力条件可经选择为在从笼形包合物水合物结构中发生气体泄漏与维持那些温度和压力条件的能量成本之间达到最佳平衡。储存体积可以定位在诸如水下储存设施等天然存在的高压位置中。因此，所述方法可以提供“按需”气体供应系统，在所述“按需”气体供应系统中通过施加电磁场来使气体从笼形包合物水合物结构中释放。类似地，如本文所公开的电磁场可以用于提高气体到已经存在的水合物结构中的吸收速率。电磁场可以具有被选用于增强气体释放的性质。选定的性质可以包括场强度和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于可释放地储存氢气的方法，所述方法包括：/n在储存体积内形成笼形包合物水合物结构，所述笼形包合物水合物结构包含具有多个保存气体分子的空腔的晶格，在所述空腔中捕获了要储存的氢气分子；以及/n将电磁场施加到所述储存体积以可控地将所述氢气从所述笼形包合物水合物结构中转移出来或转移到所述笼形包合物水合物结构中，其中对所述电磁场的场强度进行了选择以避免所述笼形包合物水合物结构发生离解。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170810 GB 1712814.11.一种用于可释放地储存氢气的方法，所述方法包括：
在储存体积内形成笼形包合物水合物结构，所述笼形包合物水合物结构包含具有多个保存气体分子的空腔的晶格，在所述空腔中捕获了要储存的氢气分子；以及
将电磁场施加到所述储存体积以可控地将所述氢气从所述笼形包合物水合物结构中转移出来或转移到所述笼形包合物水合物结构中，其中对所述电磁场的场强度进行了选择以避免所述笼形包合物水合物结构发生离解。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁场是微波电磁场。


3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括调节所述电磁场的场强度以控制将所述氢气从所述笼形包合物水合物结构中转移出来或转移到所述笼形包合物水合物结构中的速率。


4.根据权利要求3所述的方法，其中所述电磁场的所述场强度是非零的，并且在所述笼形包合物水合物结构晶格的固有场的至多1％的范围内是可调节的。


5.根据权利要求3所述的方法，其中所述电磁场的所述场强度的均方根振幅在0.000001至的范围内是可调节的。


6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述电磁场的场强度比所述笼形包合物水合物结构晶格的固有场小三个或更多个数量级。


7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中以脉冲方式施加所述电磁场。


8.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括监测所述储存体积中的温度和压力条件。


9.根据权利要求8所述的方法，所述方法包括基于所述温度和压力条件确定所述氢气的释放速率，以及提供反馈信号以基于所确定的释放速率控制所述电磁场。


10.根据权利要求8或9所述的方法，所述方法包括检测所述储存体积中的温度，以及基于所检测到的温度操作冷却剂系统以控制所述储存体积中的所述温度条件。


11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述笼形包合物水合物包含sII多晶型物晶格结构，所述sII多晶型物晶格结构具有多个较大...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼尔·英格力士，克里斯蒂安·伯恩翰，
申请(专利权)人：爱尔兰国立大学都柏林大学学院，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE