CN101604933A

CN101604933A - 氢气-碱金属热电直接转换器发电系统

Info

Publication number: CN101604933A
Application number: CNA2009100725289A
Authority: CN
Inventors: 周春良; 郑洪涛; 张宝岭
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: CN101604933B

Abstract

本发明提供的是一种氢气－碱金属热电直接转换器发电系统。储氢罐(E)和储氧罐(F)通过管路连接氢气燃烧室(C)，氢气燃烧室(C)内部有氢气喷嘴(1)和氧气喷嘴(2)，通过这两个喷嘴将燃料喷入到氢气燃烧室(C)中，在氢气燃烧室(C)中燃料混合、燃烧并放出高品位的热能，氢气燃烧室(C)通过热控装置(D)与碱金属热电直接转换器(A)的热端连接、将高品位的热能传递到碱金属热电直接转换器(A)的热端，碱金属热电直接转换器(A)将热能转化为电能向外输出。碱金属热电直接转换器将氢气燃烧后放出的高品位热能直接转化为电能，是一种提高热能－电量转化的总效率的氢气－碱金属热电直接转换器组合发电装置。

Description

氢气-碱金属热电直接转换器发电系统

(一)技术领域

本发明涉及的是一种新型发电系统，具体地说是一种“氢气-碱金属热电直接转换器”的发电系统，用于动力能源领域。

(二)背景技术

氢在自然界中是最为普遍的元素，它主要以化合物的形态贮存于水里面，而水是地球上最丰富的物质。据推算，如果把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍！除了核燃料外，氢的发热值是所有燃料发热值中最高的，为142351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。其燃烧性能好，与空气混合时可燃范围在4％～75％，燃点高，燃烧速度快。而且，氢气与氧气燃烧后的产物为水，通过电解水等手段又可以获得氢，这样就可以形成可持续的能量利用循环。

今天，随着能源形势的越来越严峻，人们对氢能越来越青睐。人们在试验将氢能转化为电能、热能，制造氢能汽车、船舶、摩托车、自行车。

目前，作为化工原料利用的氢气占氢气总产量的60％，还有相当部分的氢气应用于电子产品加工等领域。

氢能利用方式主要有三种。

其一，利用氢的热核反应放出核能，这是核能利用的重要途径。

其次，就是最为普遍的氢气直接燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，如氢气发动机。德国宝马汽车公司就一直致力于研发以氢气为燃料的汽车发动机，并且已经推出了样车进行运行试验。

另外一种就是制造氢能燃料电池，比如，德国的奔驰汽车公司对于氢能燃料电池汽车情有独钟。迄今，氢燃料电池汽车已经完成或正在进行多个商业示范。燃料电池是一种直接通过电化学反应将燃料的化学能转化成电能的发电装置。与传统电池的概念不同，燃料电池不需要充电，只要在它的阳极侧连续输入氢气等燃料，再在阴极侧通入氧化剂气体(如空气或氧气)，电能就能源源不断地输出来了。

碱金属热电直接转换器(AMTEC)是一种将碱金属(钾、钠)作为工作介质的能量转换技术。它以陶瓷材料β″-Al₂O₃为离子选择性渗透膜。AMTEC可直接将太阳能、外部燃烧、放射性同位素、反应器热源和余热产生的热能转换成电能。碱金属工质(液态或气态)在封闭循环系统中运行，其转换过程特点为等温膨胀/压缩，等压加热，因此可获得高效率。另外AMTEC具有洁净无噪声、设备结构紧凑、维护量小、适合分散布置的特点。因此既可以在火电站的前置循环使用，也可单独作为热电站的发电机组用于工业发电，而且也可用于水下潜器作为安静型高能量密度的发电设备，和民用运输工具。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种碱金属热电直接转换器将氢气燃烧后放出的高品位热能直接转化为电能，提高热能-电量转化的总效率的氢气-碱金属热电直接转换器组合发电装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明主要包括碱金属热电直接转换器A、冷却器B、氢气燃烧室C、热控装置D、储氢罐E和储氧罐F；储氢罐E和储氧罐F通过管路连接氢气燃烧室C，氢气燃烧室C内部有氢气喷嘴1和氧气喷嘴2，通过这两个喷嘴将燃料喷入到氢气燃烧室C中，在氢气燃烧室C中燃料混合、燃烧并放出高品位的热能，氢气燃烧室C通过热控装置D与碱金属热电直接转换器A的热端连接、将高品位的热能传递到碱金属热电直接转换器A的热端，碱金属热电直接转换器A将热能转化为电能向外输出。

本发明还可以包括：

1、在储氢罐E和储氧罐F与氢气燃烧室C的连接管路上设置有负责控制氢气、氧气的流量和两者的混合比例的控制阀门。

2、所述的碱金属热电直接转换器A为一个。

3、所述的碱金属热电直接转换器A为2-5个，各碱金属热电直接转换器A并列设置。

4、在碱金属热电直接转换器A冷端设置冷却器B，冷却器中的冷却介质通过阀门a3的控制通过冷却器入口5进入到冷却器并从冷却器出口5流出，并在外部泵的驱动下循环。

5、所述热控装置D主要由多孔层12、导热层10、绝热层9组成，多孔层12内填充有高导热系数的导热工质，阀门a1、和阀门a2控制导热工质通过导热工质进口3和导热工质出口4流进、流出，并在外部泵的驱动下完成控制碱金属热电直接转换器A热端温度，多孔层12与导热层10紧紧相连，里面充满具有高导热系数的导热介质。

本发明提出了一种氢气发电系统，该系统利用碱金属热电直接转换器将氢气燃烧后放出的高品位热能转化为电能。碱金属热电直接转换器是一种具有热电高转化效率的装置。

储氢罐E和储氧罐F为本发明系统提供原料的存储。储氢罐E和储氧罐F通过管路连接氢气燃烧室C。在该连接管路上可有两个控制阀门负责控制氢气、氧气的流量和两者的混合比例。

氢气燃烧室C内部有氢气喷嘴1和氧气喷嘴2。通过这两个喷嘴将燃料喷入到氢气燃烧室C中，在此燃料混合、燃烧并放出高品位的热能。高品位的热能通过热控装置D传递到碱金属热电直接转换器A的热端。最终碱金属热电直接转换器A将热能转化为电能向外输出。此处碱金属热电直接转换器A可根据实际情况和本系统尺寸大小选择单个的个体或一集成，如本说明案例中的A1、A2和A2。

为了降低碱金属热电直接转换器A冷端的温度，本发明系统使用了冷却器。该冷却器中的冷却介质可通过阀门a3的控制通过入口5进入到冷却器并从出口5流出，并在外部泵的驱动下完成循环。

为了确保碱金属热电直接转换器A稳定工作，其工作效率不受氢气燃烧室C内燃烧情况的影响。本发明系统用热控装置D连接氢气燃烧室C和碱金属热电直接转换器A。热控装置D主要由多孔层12、导热层10、绝热层9组成。多孔层12内填充有高导热系数的导热工质。阀门a1、和阀门a2可以控制这些导热工质通过进口3和出口4流进、流出。并在外部泵的驱动下以完成控制碱金属热电直接转换器A热端温度的目的。多孔层12与导热层10紧紧相连，里面充满了具有高导热系数的导热介质，从可以进行热量高效的传导。最后绝热层9可降低热量的散失，避免不必要的能量损失。

本发明优点在于：

(1)使用了具有高效率的热电转换装置——碱金属热电直接转换器，以提高本发明系统整体的效率

(2)使用了燃烧热值是汽油3倍的氢气作为燃料，保证足够的热能。

(3)使用了热控装置，保证了碱金属热电直接转换器热端温度的稳定，确保了碱金属热电直接转换器工作的平稳性。

(四)附图说明

图1是本发明的氢气-碱金属热电直接转换器发电系统示意图。

图2是本发明的具体连接方式示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1和图2。

本发明主要由6部分组成：碱金属热电直接转换器A、冷却器B、氢气燃烧室C、热控装置D、储氢罐E和储氧罐F。

燃料氢气和氧气分别存储在储氢罐E和储氧罐F中。氢气和氧气经管路连接可到达氢气燃烧室C。

氢气燃烧室C由氢气燃烧空间14、防热材料13、氢气喷嘴1、氧气喷嘴2和点火器15共同组成。其中氢气燃烧空间14为燃料燃烧提供空间，防热材料13为了减少燃烧室空间的热量损失。燃料氢气和氧气分别通过氢气喷嘴1和氧气喷嘴2喷入到氢气燃烧空间14中，经点火器15点火燃烧后放出高位品的热量。可在两燃料喷嘴的上游管路通过设置阀门分别控制两种燃料的流量和两种燃料混合的比例。

热控装置D负责向碱金属热电直接转换器A传递热量和保证其热端稳定的温度。热控装置D主要由绝热层9、导热层10和多孔层12组成。其中绝热层9的作用是隔绝冷却器B和碱金属热电直接转换器A热端。导热层10内充满传热介质，要求是传热介质的导热系数要高，其作用是将来自于氢气燃烧室C的热量高效的传递给碱金属热电直接转换器A。

多孔层12由多孔介质组成，内部填充了高效导热介质。该高效导热介质可通过进口3和出口4在多孔层内进入、出入，并在外部泵的驱动下进行循环。在进口和出口处分别设置两个阀门a1和a2用来控制导热介质的进出，进一步控制温度。

热控装置D控制温度的过程：当碱金属热电直接转换器A热源端的温度稳定时，关闭阀门a1和a2，使多孔层12内的导热介质处于封闭的空间。此时的多孔层12作用相当于导热层，只是负责热量的传导；当碱金属热电直接转换器A热源端的温度过高时，多孔层12由于是多孔结构，可以延缓温度突变传递的时间。利用这段时间，先打开阀门a1，再打开阀门a2，并在外部泵的驱动下，使导热工质进行循环。由外部温度较低的导热工质进入到多孔层12内因此多孔层12内的导热工质的温度会降低，从而减少向碱金属热电直接转换器A传递的热量；当碱金属热电直接转换器A热源端的温度过低时，同样由于多孔具有蓄热性，仍然可以向当碱金属热电直接转换器A传递一定的热量，为调节氢气燃烧室内的燃烧情况提供时间。

碱金属热电直接转换器A的工作不仅热端需要一定的温度保证，其冷端也有温度要求。本发明可用冷却器B降低碱金属热电直接转换器A的冷端温度。冷却器B中的冷却介质通过进口5和出口6进出冷却器，阀门a3用来控制冷却介质的流量，进而控制冷却效果。

本发明中的碱金属热电直接转换器A可以根据实际情况选择或是一单体，或是一集成。图中就是集成形式。碱金属热电直接转换器A热端有固定法兰11用于与固定板8固定。另一侧冷端则有碱金属热电直接转换器电极接头，用来向外进行电能输出。集成间可根据实际情况选择或是并联或是串联。

Claims

1、一种氢气-碱金属热电直接转换器发电系统，主要包括碱金属热电直接转换器(A)、冷却器(B)、氢气燃烧室(C)、热控装置(D)、储氢罐(E)和储氧罐(F)；其特征是：储氢罐(E)和储氧罐(F)通过管路连接氢气燃烧室(C)，氢气燃烧室(C)内部有氢气喷嘴(1)和氧气喷嘴(2)，通过这两个喷嘴将燃料喷入到氢气燃烧室(C)中，在氢气燃烧室(C)中燃料混合、燃烧并放出高品位的热能，氢气燃烧室(C)通过热控装置(D)与碱金属热电直接转换器(A)的热端连接、将高品位的热能传递到碱金属热电直接转换器(A)的热端，碱金属热电直接转换器(A)将热能转化为电能向外输出。

2、根据权利要求1所述的氢气-碱金属热电直接转换器发电系统，其特征是：在储氢罐(E)和储氧罐(F)与氢气燃烧室(C)的连接管路上设置有负责控制氢气、氧气的流量和两者的混合比例的控制阀门。

3、根据权利要求2所述的氢气-碱金属热电直接转换器发电系统，其特征是：所述的碱金属热电直接转换器(A)为一个。

4、根据权利要求2所述的氢气-碱金属热电直接转换器发电系统，其特征是：所述的碱金属热电直接转换器(A)为2-5个，各碱金属热电直接转换器(A)并列设置。

5、根据权利要求1-4任何一项所述的氢气-碱金属热电直接转换器发电系统，其特征是：在碱金属热电直接转换器(A)冷端设置冷却器B，冷却器中的冷却介质通过阀门(a 3)的控制通过冷却器入口(5)进入到冷却器并从冷却器出口(5)流出，并在外部泵的驱动下循环。

6、根据权利要求1-4任何一项所述的氢气-碱金属热电直接转换器发电系统，其特征是：所述热控装置(D)主要由多孔层(12)、导热层(10)、绝热层(9)组成，多孔层(12)内填充有高导热系数的导热工质，阀门(a1、)和阀门(a2)控制导热工质通过导热工质进口(3)和导热工质出口(4)流进、流出，并在外部泵的驱动下完成控制碱金属热电直接转换器(A)热端温度，多孔层(12)与导热层(10)紧紧相连，里面充满具有高导热系数的导热介质。

7、根据权利要求5所述的氢气-碱金属热电直接转换器发电系统，其特征是：所述热控装置(D)主要由多孔层(12)、导热层(10)、绝热层(9)组成，多孔层(12)内填充有高导热系数的导热工质，阀门(a1、)和阀门(a2)控制导热工质通过导热工质进口(3)和导热工质出口(4)流进、流出，并在外部泵的驱动下完成控制碱金属热电直接转换器(A)热端温度，多孔层(12)与导热层(10)紧紧相连，里面充满具有高导热系数的导热介质。