[发明专利]储氢颗粒

说明书

本发明涉及涂布的储氢颗粒、制造所述涂布颗粒的方法、涂布颗粒用于生产氢的用途、以及生产氢的方法。

氢是一种能量载体，其在使用时为无碳的，并且提供了减轻来自世界石油市场的能量供应的可能。在相同重量的情况下，其具有三倍于汽油的能量。然而，存在与其使用相关的挑战，例如，找出一种以足够稠密的形式存储通常为气体的物质的方式，以及将引入此种新颖且颠覆性的技术所需的基础设施成本最小化。

大多数汽车制造商言明氢是汽油和柴油的最终代替物。蓄电池的比能过低以至于不能对许多商业用途提供足够的范围，并且有可能的是纯蓄电池电动车辆将最终用于通勤或其他短途城区车辆。许多制造商计划到2015年时可获得“可负担”的氢车辆。

燃料电池与氢储备的组合可形成具有比能两三倍于锂离子电池的系统。因此，所述技术存在用于航空航天、军事、高端消费性电子产品和安保应用中的高端市场的可能性，这些应用者将支付高额费用并作为早期采用者以使所述技术能够规模化。

也存在氢的潜在非机动性用途，例如：用于对建筑提供电力或用作应急动力源。这些应用在技术方面要求没有那么高，并且可能较早地商业化。

氢可用于内燃机这种经证实的廉价技术，该技术可很好地提供对市场的最初进入。但要真正有竞争性，则需将氢用于燃料电池，因为它们的效率比内燃机高两三倍。燃料电池产生电力，因此氢燃料电池车辆是电动的，其具有与蓄电池电动车辆相似的控制和传动系。实际上，电动车辆有可能是混合动力的，其中蓄电池提供需求水平化(demand leveling)，而燃料电池提供范围(range)。

针对千瓦规模应用(例如机动车)的现有储氢方法是用碳纤维复合材料储罐将其压缩至高密度，所述储罐能够在至多700大气压的压力下操作。这些储罐是昂贵的，并且大量的应用研究正集中于降低其生产成本。所述技术是相对成熟的，并且几乎将肯定用于第一代车辆。然而，所需的基础设施复杂且非常昂贵。在加油站处需要用于将氢迅速压缩至850大气压的压缩机来充填这些储罐，其每个的成本都超过百万美元，并且如果其要被公众使用，则将需要精密的安全系统。

此种高压储罐不适合于小规模应用，因此需要其他存储技术。对于能够以密实且安全的形式存储氢的固态材料已进行了大量研究。两种竞争性类别的材料是最终解决方案的可能的竞争者。其中的第一种是称作金属有机框架物(MOF)的超多孔材料，其能够在液氮温度或高压下存储至多7重量％的氢。第二种是氢与其它原子化学结合的氢化物。两类材料显示出非凡的前景：氢化硼，其中氢与硼结合(通常10重量％～12重量％的可用氢)；以及铝烷，其中氢与铝结合(约10重量％的氢)。

近来已意识到，出于热力学和工程原因，在车辆内将这些氢化物材料再生是不切实际的。这可通过移动粉末或浆料从而可将氢化物泵入或泵出车辆来解决，并且在别处进行再生，这可能在容易获得能量和氢的大型石油化工厂进行。

虽然氢化物的性能在氢比重方面优异，但其也具有一些技术问题：

1)氢释放的动力学过程通常缓慢。对于一些硼氢化物，这种释放可能花数小时。

2)氢释放的温度可能非常高，例如对于诸如硼氢化锂(LiBH₄)等材料超过300℃。

3)所述材料通常是空气敏感的，某些甚至是自燃性的。

4)与脱氢有关的焓和熵可能很大，使得直接再氢化不能实行。

5)一些材料放出可能损害燃料电池的其他杂质和挥发物。

存储方法或技术的选择最终将取决于成本、安全和性能，并且可能对于不同的应用是困难的。

在政策方面，政府可能希望具有能量供应的安全性并减少CO₂排放以满足国家和国际目标。然而，对于技术的使用者而言这是次要的，其将仅在以下情况下被采纳：

1)额外成本费用产生了性能(范围、持续时间、速度、换料或舒适性以及可能的安全性)的显著提高；或

2)其在很少或几乎不损失性能或安全性方面的情况下提供经济利益。因此，为了实用，储氢技术必需在按规模放大时足够廉价，其必须将制造、分配和使用其所需的基础设施成本最小化，其必须至少与汽油或蓄电池一样安全，并且其必须具有堪比或超过现有技术的性能。