氢气换热介质双金属氢化物做功系统的制作方法

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种氢气换热介质双金属氢化物做功系统。

背景技术：

能源短缺、环境污染、全球气候变化，使开发清洁、高效、安全和可持续发展的能源迫在眉睫，其中氢能正在受到越来越多国家的重视。进入二十一世纪，发动机工业得到了迅速地发展，然而目前汽油机和柴油机依然是发动机的主要选择。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响，以及减少大气污染和发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。随着世界各国环境保护的措施越来越严格，氢能源发动机由于其节能、低排放等特点成为发动机研究与开发的一个重点，并已经开始商业化。传统的氢能利用大多通过直接燃烧气态氢气获得热能及动能，但气态的氢气不易存储和运输，燃烧所得氢能直接用在动力系统上会产生爆震、不稳定等一系列影响安全使用的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种氢气换热介质双金属氢化物做功系统，以氢气为循环工质，利用金属储氢材料的吸氢/放氢特性，通过压缩机和膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电，充分利用大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。

本申请实施例提供了一种氢气换热介质双金属氢化物做功系统，所述系统包括高压氢气中间罐、低压氢气中间罐、a1金属储氢反应床、a2金属储氢反应床、b1金属储氢反应床、b2金属储氢反应床、a氢气换热器、b氢气换热器、液氢预冷器、液氢高压泵、用冷单元、制冷单元、高压膨胀机、低压膨胀机和发电机；所述高压膨胀机、低压膨胀机和发电机同轴连接，所述发电机电路连接到外部电网和/或蓄电池；所述a1金属储氢反应床、a2金属储氢反应床、b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床分别设有吸氢进口、放氢出口、换热进口和换热出口；所述a1金属储氢反应床和a2金属储氢反应床的放氢出口分别通过高压氢气管道经a氢气换热器的壳程连接到高压膨胀机的进口，所述高压膨胀机的出口分别连接b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的吸氢进口；所述b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的放氢出口分别通过低压氢气管道连接到液氢预冷器入口，液氢预冷器与液氢高压泵和制冷单元依次连接，所述制冷单元连通b氢气换热器的壳程入口，b氢气换热器的壳程出口连接到低压膨胀机的进口，低压膨胀机的第一出口连接b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的吸氢进口，低压膨胀机的第二出口连接到a1金属储氢反应床和a2金属储氢反应床的吸氢进口；所述用冷单元分别连接到a1金属储氢反应床和a2金属储氢反应床的换热进口，所述a1金属储氢反应床和a2金属储氢反应床的换热出口分别分为两路，一路连接到用冷单元，另一路连接到b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的换热进口；所述b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的换热出口分别分为两路，一路依次经过低压氢气中间罐和低压氢气循环泵分别连接到a1金属储氢反应床和a2金属储氢反应床的换热入口，另一路经高压氢气中间罐、高压氢气循环泵、a氢气换热器的管程和b氢气换热器的管程分别连接到所述b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的换热入口。

进一步的，所述a1金属储氢反应床、a2金属储氢反应床、b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床均为金属储氢材料蓄热式反应床；所述金属储氢材料蓄热式反应床只让做功后的低压氢气进入金属储氢反应床进行吸氢操作，高压高温氢气只作为换热氢气，由于换热氢气温度高于金属氢化物的吸氢温度只是进行换热而不参与吸氢或只被少量吸入金属氢化物内，只要满足以上功能的装置，包括但不限于活塞式或其他形式。

进一步的，所述a1金属储氢反应床和所述a2金属储氢反应床内装填的金属氢化物相同，装填量允许相同也允许不同，两者交替进行吸/放氢操作；所述b1金属储氢反应床和所述b2金属储氢反应床内装填的金属氢化物相同，装填量允许相同也允许不同，两者交替进行吸/放氢操作。

进一步的，所述液氢预冷器设有换热盘管；所述制冷单元与液氢预冷器的换热盘管循环连接。

进一步的，所述系统设有保护罩，所述保护罩设有可燃性气体报警器、温度调节器和充氮入口，充氮入口设有阀门，保护罩内填充的气体包括但不限于氢气、氮气、氦气。

进一步的，所述氢气换热介质双金属氢化物做功系统通过柯来浦循环对外做功；所述柯来浦循环定义为在系统内至少两种金属氢化物，存在至少四个状态点，至少四个状态点的吸氢放热和放氢吸热在系统内通过循环换热介质保持或基本保持热量平衡，即某一状态点的吸氢放热的热量利用循环换热介质传给其他三个状态点中的放氢吸热过程。

至少存在的四个状态点中的放氢吸热状态不用或基本上不用向环境中吸热，而是将至少四个状态点中的吸氢放热的热量传递给至少四个状态点中的放氢吸热过程。

至少存在的四个状态点中的吸氢放热状态不用或基本上不用向环境中散热，而是将热量传递给存在的至少四个状态点中的放氢吸热过程，而存在的至少四个状态点中放氢吸热过程完全能够或几乎完全能够接收传递过来的热量。

至少四个状态点中的吸氢放热状态点可以将热量传递给放氢吸热状态点，以上热量基本上都是内部平衡，全部或绝大部分吸放热的热量平衡在系统内部完成，几乎不需要向环境中散热或从环境中吸热。

通过至少四个状态点形成的做功循环，能够使系统做功，做功的形式是利用氢气作为介质做功，至少四个状态点可以使氢气的温度-压力进行循环变化，从而形成做功循环，做功设备既可以是叶轮式回转机构也可以是活塞式或其他形式；至少四个状态点通过做功循环，吸氢放热状态点和放氢吸热状态点都可以恢复成原来的状态点；允许系统向环境中释放低温冷量，或从环境中吸热。

除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体作为循环换热介质；此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质；换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体、固体或以上的混合物或两两混合物。

至少两种金属氢化物的压力-温度图的状态点连线既可以相交也可以不相交。

系统氢气做功的过程既包括换热介质氢气的做功也包括做功氢气的做功。

允许b2金属储氢反应床放氢出口的低温氢气不液化，而是采用将这些氢气装入多个密闭容器中在高温下升温加压，然后在高温高压下释放出来进入膨胀机做功的方式，允许使用以上的方式替代液化氢气加压的方式。

本发明公开的氢气换热介质双金属氢化物做功系统，通过在a1金属储氢反应床、a2金属储氢反应床、b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床内装填金属氢化物，利用金属氢化物的吸氢/放氢特性，通过高压膨胀机和低压膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电，充分利用了大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。将本发明公开的做功系统安装在轮船等交通工具和其他设备上，可以利用其它自然物质所携带的能量，通过工质循环驱动高压膨胀机和低压膨胀机做功，将地球氢能转变为机械能从而驱动交通工具运行，实现绿色交通。至少有一种方法可以使系统向单一热源吸热做功成为可能。

附图说明

图1为本发明提供的氢气换热介质双金属氢化物做功系统的结构示意图；

图2为本发明金属氢化物的工作状态点图。

其中：1—高压氢气中间罐、2—用冷单元、3—a氢气换热器、4—发电机、6—b氢气换热器、7—低压氢气中间罐、8—阀门、10—液氢高压泵、11—高压膨胀机、12—低压膨胀机、18—低压氢气循环泵、19—a1金属储氢反应床、20—a2金属储氢反应床、21—b1金属储氢反应床、22—b2金属储氢反应床、23—液氢预冷器、24—制冷单元。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种氢气换热介质双金属氢化物做功系统，如图1所示，该做功系统包括高压氢气中间罐1、低压氢气中间罐7、a1金属储氢反应床19、a2金属储氢反应床20、b1金属储氢反应床21、b2金属储氢反应床22、a氢气换热器3、b氢气换热器6、液氢预冷器23、液氢高压泵10、用冷单元2、制冷单元24、高压膨胀机11、低压膨胀机12和发电机4。

具体的，高压膨胀机11、低压膨胀机12和发电机4同轴连接，发电机4电路连接到外部电网和/或蓄电池。a1金属储氢反应床19、a2金属储氢反应床20、b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22分别设有吸氢进口、放氢出口、换热进口和换热出口。a1金属储氢反应床19和a2金属储氢反应床20的放氢出口分别通过高压氢气管道经a氢气换热器3的壳程连接到高压膨胀机11的进口，高压膨胀机11的出口分别连接b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22的吸氢进口。

b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22的放氢出口分别通过低压液氢管道连接到液氢预冷器23的管程入口，液氢预冷器23的管程出口连接到液氢高压泵10入口，液氢高压泵10连接到制冷单元24的换热入口，制冷单元24的换热出口连通b氢气换热器6的壳程进口，b氢气换热器6的壳程出口连接到低压膨胀机12的进口，低压膨胀机12的出口分为两路，一路连接b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22的吸氢进口，另一路连接到a1金属储氢反应床19和a2金属储氢反应床20的吸氢进口。

用冷单元2分别连接到a1金属储氢反应床19和a2金属储氢反应床20的换热进口。a1金属储氢反应床19和a2金属储氢反应床20的换热出口分别分为两路，一路连接到用冷单元2，另一路连接到b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22的换热进口。

b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22的换热出口分别分为两路，一路依次经过低压氢气中间罐7和低压氢气循环泵18分别连接到a1金属储氢反应床19和a2金属储氢反应床20的换热入口，另一路经高压氢气中间罐1、高压氢气循环泵17、a氢气换热器3的管程和b氢气换热器6的管程分别连接到b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22的换热入口。

制冷单元24的冷氢气出口连接到液氢预冷器23的壳程进口，液氢预冷器23的壳程出口连接到制冷单元24的循环氢气入口。

在实际应用中，a1金属储氢反应床19、a2金属储氢反应床20、b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22均为金属储氢材料蓄热式反应床。a1金属储氢反应床19和a2金属储氢反应床20内装填的金属氢化物相同，两者交替进行吸/放氢操作；b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22内装填的金属氢化物相同，两者交替进行吸/放氢操作。两种金属氢化物所形成的四个状态点如图2所示。

a1金属储氢反应床19和a2金属储氢反应床20的储氢材料包括但不限于稀土系金属储氢材料，具体储氢材料可以为氢化镧，单个金属储氢反应床装填金属氢化物的量为11l，其吸放氢时间为200ms，冗余当量25倍（1倍冗余当量是指金属储氢材料在整个一个完整工序循环内单次吸氢饱和时的所需最少金属储氢材料的量）。b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22的储氢材料包括但不限于钛系金属储氢材料，具体储氢材料可以为氢化钛铁，单个金属储氢反应床装填金属氢化物的量为23l，其吸放氢时间为200ms，冗余当量25倍。

在实际应用中，可以在氢气换热介质双金属氢化物做功系统外设置保护罩28，保护罩28设有可燃性气体报警器25、温度调节器26和充氮入口27，充氮入口27设有阀门。

本申请实施例提供的氢气换热介质双金属氢化物做功系统通过柯来浦循环对外做功。柯来浦循环定义为在系统内至少两种金属氢化物，存在至少四个状态点，至少四个状态点的吸氢放热和放氢吸热在系统内通过循环换热介质保持或基本保持热量平衡，即某一状态点的吸氢放热的热量利用循环换热介质传给其他三个状态点中的放氢吸热过程。至少存在的四个状态点中的放氢吸热状态不用或基本上不用向环境中吸热，而是将至少四个状态点中的吸氢放热的热量传递给至少四个状态点中的放氢吸热过程。

至少存在的四个状态点中的吸氢放热状态不用或基本上不用向环境中散热，而是将热量传递给存在的至少四个状态点中的放氢吸热过程，而存在的至少四个状态点中放氢吸热过程完全能够或几乎完全能够接收传递过来的热量。至少四个状态点中的吸氢放热状态点可以将热量传递给放氢吸热状态点，以上热量基本上都是内部平衡，全部或绝大部分吸放热的热量平衡在系统内部完成，几乎不需要向环境中散热或从环境中吸热。

通过至少四个状态点形成的做功循环，能够使系统做功，做功的形式是利用氢气作为介质做功，至少四个状态点可以使氢气的温度-压力进行循环变化，从而形成做功循环，做功设备既可以是叶轮式回转机构也可以是活塞式或其他形式。至少四个状态点通过做功循环，吸氢放热状态点和放氢吸热状态点都可以恢复成原来的状态点。允许系统向环境中释放低温冷量，或从环境中吸热。

除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体作为循环换热介质。此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质。换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体、固体或以上的混合物或两两混合物。

至少两种金属氢化物的压力-温度图的状态点连线既可以相交也可以不相交。系统氢气做功的过程既包括换热介质氢气的做功也包括做功氢气的做功。

a1金属储氢反应床19内设有两个独立的反应床单元a1与a1*，a2金属储氢反应床20内设有两个独立的反应床单元a2与a2*，b1金属储氢反应床21内设有两个独立的反应床单元b1与b1*，b2金属储氢反应床22内设有两个独立的反应床单元b2与b2*。a1与a1*、a2与a2*、b1与b1*以及b2与b2*两者依次进行吸/放氢操作和换热操作，从而同时实现蓄热式操作和连续吸/放氢操作。

实施例利用不同的金属储氢材料自身吸/放氢压力受温度影响变化特性的差异，让两组不同的金属储氢材料在不同温度条件下，其中一组放氢压力与另一组吸氢压力形成合理匹配，同时最大限度地利用不同温度下的吸/放氢反应热，最终通过氢气膨胀机进行做功产生电力。

本实施例的工作流程分为高压流程和低压流程。其中，高压流程如下：a1金属储氢反应床19或a2金属储氢反应床20在-50℃下吸收热量放出20mpa的氢气，放氢速率为0.064kg/s，放氢时，从用冷单元2来的换热介质氢气进入a1金属储氢反应床19或a2金属储氢反应床20后将热量传递给放氢反应使用，同时自身被冷却，被冷却的换热介质氢气回供给用冷单元2使用；-50℃、20mpa的氢气进入a氢气换热器3的壳程，在a氢气换热器3中与管程中的换热介质氢气间接换热后被加热到120℃；120℃、20mpa的氢气进入高压膨胀机11中膨胀做功带动发电机4发电，高压膨胀机11出口的氢气状态为50℃、10mpa，高压膨胀机11出口50℃、10mpa的氢气与低压膨胀机12中间抽出的部分10mpa氢气一同进入b1金属储氢反应床21或b2金属储氢反应床22；b1金属储氢反应床21或b2金属储氢反应床22在10mpa下吸收氢气放出热量，吸氢速率为0.125kg/s，吸氢放出的热量将换热介质氢气升至120℃以上，然后换热介质氢气经过a氢气换热器3和b氢气换热器6的管程将吸氢反应热传递给做功氢气升温使用。

低压流程如下：b1金属储氢反应床21或b2金属储氢反应床22在-240.5℃下吸收热量放出1.3mpa的液氢，放氢速率为0.125kg/s，放氢时，从a1金属储氢反应床19或a2金属储氢反应床20来的换热介质氢气进入b1金属储氢反应床21或b2金属储氢反应床22后，将a1金属储氢反应床19或a2金属储氢反应床20的吸氢反应热传递给放氢反应使用；-240.5℃、1.3mpa的液氢先进入液氢预冷器23的管程入口，与来自制冷单元的-252℃、0.1mpa的氢气间接换热，液氢预冷器23的管程出口的液氢被冷却至-250℃，-250℃、1.3mpa的液氢被液氢高压泵10压缩到30mpa、-240.5℃后进入制冷单元24进行间接换热，液氢加压相对气氢加压功耗小，从而使整个系统出功能力大为提高；-240.5℃、30mpa的液氢在制冷单元24中吸收热量升温至-200℃，保证了制冷单元在-200℃的外部环境下进行制冷，制冷单元产生的冷量主要供给液氢预冷器23使用；-200℃、30mpa的氢气进入b氢气换热器6的壳程，在b氢气换热器6中与管程中的换热介质氢气间接换热后被加热到120℃；120℃、30mpa的氢气进入低压膨胀机12中膨胀做功带动发电机4发电，低压膨胀机12出口的氢气状态为-150℃、0.67mpa，低压膨胀机12中间抽出部分氢气进入b1金属储氢反应床21或b2金属储氢反应床22，低压膨胀机12中间抽出氢气为14℃，10mpa，低压膨胀机12中间抽出的氢气用来弥补高低压循环切换时的能耗和两种金属氢化物热特性差异造成的能耗；低压膨胀机12出口-150℃、0.67mpa的氢气进入a1金属储氢反应床19或a2金属储氢反应床20，a1金属储氢反应床19或a2金属储氢反应床20在0.67mpa下吸收氢气放出热量，吸氢速率为0.064kg/s，吸氢放出的热量经由换热介质氢气供给b1金属储氢反应床21或b2金属储氢反应床22放氢反应使用。a氢气换热器3和b氢气换热器6既可以连续操作也可以间歇操作。以上高低压流程允许做功氢气不经过a氢气换热器3和/或b氢气换热器6直接进入膨胀机做功。

工作时序上，a1金属储氢反应床19与b1金属储氢反应床21两者相对应，同时进行高压流程或低压流程。a2金属储氢反应床20与b2金属储氢反应床22两者相对应，同时进行高压流程或低压流程。a1金属储氢反应床19和a2金属储氢反应床20两者交替进行高压流程和低压流程，即a1金属储氢反应床19在进行高压流程时，a2金属储氢反应床20在进行低压流程；当a1金属储氢反应床19切换到低压流程时，a2金属储氢反应床20相应切换到高压流程。同样的，b1金属储氢反应床21与b2金属储氢反应床22两者交替进行高压流程和低压流程。如此循环，保证了系统的连续稳定运转。a1金属储氢反应床19、a2金属储氢反应床20、b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22吸氢时只允许低压氢气进入，吸氢结束后经过阀门切换采用高压循环换热氢气进行换热操作，从而杜绝或少量的高压循环换热氢气参与吸氢过程。

在实际应用中，用冷单元2可以在需要时从环境中取热；a1金属储氢反应床19、a2金属储氢反应床20、b1金属储氢反应床21和b2金属储氢反应床22在高低压切换时吸热。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。