CN108426169A - 一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，包括氢源、热量自平衡型固态氢源反应器、氢燃料电池、空气压缩系统和真空泵；热量自平衡型固态氢源反应器的入口连接氢源，热量自平衡型固态氢源反应器的出口分为两路，一路连接氢燃料电池，另一路连接真空泵；本发明的相变材料能够将吸氢反应释放的热量以潜热的形式储存起来，在放氢反应中释放，这样吸氢过程的热量用于放氢过程，节省了加热冷却装置，降低了成本，提高了能量的利用率，同时还可以提高吸放氢反应的速率。

Description

一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统
技术领域
本发明属于氢动力领域，特别涉及一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统。
背景技术
化石燃料的大量使用不仅加剧了传统能源的消耗，而且对环境造成了严重污染。氢能储量丰富，燃烧热值高，燃烧后的产物对环境造成的污染极其微弱。但是目前氢气实现大规模应用的制约因素主要在于储氢技术不成熟，难以快速、安全、高效地进行氢气储运。现阶段的储氢方式主要有高压气体储氢、低温液体储氢和固体储氢三种。固体储氢特别是金属氢化物储氢由于具有储能密度大、体积小、便于携带、生成的化合物安全稳定的特点被视为最有应用前景的储氢材料之一。金属氢化物储氢在吸氢过程中需要吸收热量，在放氢过程中需要放出热量，对储氢反应器进行热管理是提高金属氢化物储氢效率的一个重要因素。目前国内外应用于金属氢化物储氢反应器的热管理方式主要有以下两种：
1、传统强化换热技术——直管式、翅片管式和螺旋管式热交换器耦合的气固金属氢化物储氢反应器。传统换热方式通过在反应器内通入换热流体介质来实现对于吸放氢过程中热量的加热/移除等热管理。尤其是螺旋盘管式热交换器由于管内的二次环流作用，具有优良的传热传质效果，可有效强化反应器床层与换热流体之间的传热效果，加快储氢反应器吸放氢过程。但由于换热流体需要外置的加热/冷却装置提供，升/降温时间长，换热系统复杂，且外置加热装置的存在导致换热系统体积庞大，重量较大，不方便携带，使用不便。显然不适用于无人机，机器人，水下航行器，航空航天等需便携紧凑式的氢能动力系统中(International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(3):2767-2778)。
2、耦合相变材料热管理——相变材料可以以相变潜热的方式储存或者释放能量，且比显热储能的能量密度更高、吸热过程近似等温和过程易控制。将相变材料代替传统的换热流体应用于金属氢化物储氢反应器中，可以回收利用储氢反应过程中吸氢反应的热量，并且储存的热量供于驱动反应器放氢过程。一方面节约能源，降低生产成本，另一方面节省了外置的换热流体加热/冷却装置所提供的能源，简化了系统装置，有利于装置的轻型化和紧凑化，适合作为便携式等移动氢源系统，应用于移动式设备的氢燃料电池动力系统中。目前相变材料结合储氢反应器的结合方式主要是以相变材料以夹套方式放置在金属氢化物外侧，并以反应器壁隔开。这种方式虽然结合了相变材料，应用了相变材料的优点，但是增加了二者之间的换热热阻，相变储热速率低，使整个系统反应速率变慢，反应效率降低，无法实现系统的热量自平衡，不利于储氢系统商业化应用(International Journal ofHydrogen Energy,2013,38(23):9766-9711)。
由此可见，上述现有的各类储氢反应器都存在一些缺陷，在实际产业应用中存在限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，包括氢源、热量自平衡型固态氢源反应器、氢燃料电池、空气压缩系统和真空泵；热量自平衡型固态氢源反应器的入口连接氢源，热量自平衡型固态氢源反应器的出口分为两路，一路连接氢燃料电池，另一路连接真空泵；
热量自平衡型固态氢源反应器包括反应器壳体、螺旋管换热器、法兰盖、出气管路、进气管路、相变材料入口、合金床层和相变材料出口；反应器壳体为上端开口的桶状结构，反应器壳体内设置有合金床层，合金床层内设置有螺旋管换热器；反应器壳体的侧壁上部设置有相变材料入口，反应器壳体的侧壁下部设置有相变材料出口，螺旋管换热器的一端连接相变材料入口，另一端连接相变材料出口；反应器壳体的开口处密封设置有法兰盖，法兰盖上设置有出气管路和进气管路，分别作为热量自平衡型固态氢源反应器的出口和入口；法兰盖与合金床层之间留有空隙形成气相缓冲区，出气管路和进气管路与气相缓冲区连通。
进一步的，氢源连接进气管路，进气管路上设置有进气阀门；出气管路上设置有出气阀门，出气阀门通过管道连接有第三阀门，出气阀门到第三阀门的管道上依次设置有第二阀门和流量计；第三阀门处分为两路，一路连接真空泵，另一路连接氢燃料电池，氢燃料电池连接有空气压缩系统；第三阀门与氢燃料电池之间设置有第四阀门；第三阀门和第四阀门之间设置有压力表；相变材料出口连接有泵。
进一步的，法兰盖上设置有压力测量管路，压力测量管路一端伸入到气相缓冲区，另一端分为两个支路，一路连接有压力传感器，另一路连接有安全阀。
进一步的，法兰盖上设置有两个不同长度的测温热电偶，一个伸入到气相缓冲区，另一个伸入到合金床层；测温热电偶与法兰盖为螺纹连接。
进一步的，法兰盖通过螺栓与反应器壳体固定连接，法兰盖与反应器壳体的连接处设置有法兰密封圈；法兰盖下表面的出气管路和进气管路处设置有滤网。
进一步的，反应器壳体在相变材料入口和相变材料出口处的侧壁上设置有凸台；凸台处设置有与螺旋管换热器管道相匹配的孔，螺旋管换热器的两端分别设置在孔内；反应器壳体内侧的螺旋管换热器上沿反应器壳体内侧到外侧的方向依次设置有挡板和凸台垫片；反应器壳体内侧的螺旋管换热器上设置有螺纹，螺纹上设置有螺旋换热管固定螺母；反应器壳体内侧的螺旋管换热器上设置有阀门；相变材料入口通入相变材料。
进一步的，反应器壳体外侧包裹有一层保温层。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明的相变材料能够将吸氢反应释放的热量以潜热的形式储存起来，在放氢反应中释放，这样吸氢过程的热量用于放氢过程，节省了加热冷却装置，降低了成本，提高了能量的利用率，同时还可以提高吸放氢反应的速率。
进一步地本发明采用易拆卸的螺旋管与相变材料结合的换热方式，增大了换热接触面积，有利于反应器内储氢传热效率的提高，节约了能源，适用于类似于固态储氢等大多数气固需要吸放热反应。与目前已有的高压储氢、低温液氢、有机液氢储存、高压复合金属氢化物、耦合热交换器等反应器相比，本发明具有操作简单、易更换、结构简单紧凑、重量轻、可模块化处理、适用温度范围宽、使用寿命长、节能等特点，可满足固态储氢反应器在车载、无人机、机器人等移动便携式设备的氢能动力系统中应用的要求。
进一步地，本发明中螺旋管所使用的相变材料是在熔化后，通过泵注入螺旋管中。在使用过程中，从外部即可完成相变材料的更换，不需要打开法兰盖或取出螺旋管，操作简便，延长反应器的使用寿命。
进一步地，热电偶套管在法兰盖上面安装时应该采用螺纹连接，以便于在安装与更换螺旋管时，温度计套管能够顺利拆卸，为安装螺旋管留出足够大的空间。同时也有利于温度计套管能够方便地测量合金床层与反应器内部温度，在装拆过程中不与螺旋盘管相碰。
进一步地，鉴于氢气的易燃易爆等高危险性特征，在法兰盖上压力传感器管路中设有压力测量分路和安全阀分路，除了实时在线测量反应器内氢压之外，还通过安全阀分路，与室外环境相连通，根据氢压高低，供紧急情况下泄压用。
附图说明
图1为本发明氢动力系统示意图。
图2为本发明螺旋盘管式相变储热的气固储氢反应器结构示意图；
图3为本发明螺纹管固定示意图；
图4为本发明反应器与壳体法兰连接示意图；
其中，1为合金床层；2为相变材料；3为反应器壳体；4为螺旋管换热器；5为保温层；6为气相缓冲区；7为法兰盖；8为测温热电偶；9为出气管路；10为出气阀门；11进气管路；12进气阀门；13为压力传感器；14位安全阀；15为法兰密封垫圈；16为滤网；17为相变材料入口；18为凸台；19为泵；23为挡板；24为凸台垫片；25为螺旋换热管固定螺母；26为相变材料出口；27为氢源；28为流量计；29为压力表；30为氢燃料电池；31为空气压缩系统；32为真空泵。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明进一步说明：
请参阅图1-图3，一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，包括氢源27、热量自平衡型固态氢源反应器、氢燃料电池30、空气压缩系统31和真空泵32；热量自平衡型固态氢源反应器的入口连接氢源27，热量自平衡型固态氢源反应器的出口分为两路，一路连接氢燃料电池30，另一路连接真空泵32；
热量自平衡型固态氢源反应器包括反应器壳体3、螺旋管换热器4、法兰盖7、出气管路9、进气管路11、相变材料入口17、合金床层1和相变材料出口26；反应器壳体3为上端开口的桶状结构，反应器壳体3内设置有合金床层1，合金床层1内设置有螺旋管换热器4；反应器壳体3的侧壁上部设置有相变材料入口17，反应器壳体3的侧壁下部设置有相变材料出口26，螺旋管换热器4的一端连接相变材料入口17，另一端连接相变材料出口26；反应器壳体3的开口处密封设置有法兰盖7，法兰盖7上设置有出气管路9和进气管路11，分别作为热量自平衡型固态氢源反应器的出口和入口；法兰盖7与合金床层1之间留有空隙形成气相缓冲区6，出气管路9和进气管路11与气相缓冲区6连通。
氢源27连接进气管路11，进气管路11上设置有进气阀门12；出气管路9上设置有出气阀门10，出气阀门10通过管道连接有第三阀门，出气阀门10到第三阀门的管道上依次设置有第二阀门和流量计28；第三阀门处分为两路，一路连接真空泵32，另一路连接氢燃料电池30，氢燃料电池30连接有空气压缩系统31；第三阀门与氢燃料电池30之间设置有第四阀门；第三阀门和第四阀门之间设置有压力表29；相变材料出口26连接有泵19。
法兰盖7上设置有压力测量管路，压力测量管路一端伸入到气相缓冲区6，另一端分为两个支路，一路连接有压力传感器13，另一路连接有安全阀14。
法兰盖7上设置有两个不同长度的测温热电偶8，一个伸入到气相缓冲区6，另一个伸入到合金床层1；测温热电偶8与法兰盖为螺纹连接。
法兰盖7通过螺栓与反应器壳体3固定连接，法兰盖7与反应器壳体3的连接处设置有法兰密封圈15；法兰盖7下表面的出气管路9和进气管路11处设置有滤网16。
反应器壳体3在相变材料入口17和相变材料出口26处的侧壁上设置有凸台；凸台处设置有与螺旋管换热器4管道相匹配的孔，螺旋管换热器4的两端分别设置在孔内；反应器壳体3内侧的螺旋管换热器4上沿反应器壳体3内侧到外侧的方向依次设置有挡板23和凸台垫片24；反应器壳体3内侧的螺旋管换热器4上设置有螺纹，螺纹上设置有螺旋换热管固定螺母25；反应器壳体3内侧的螺旋管换热器4上设置有阀门；相变材料入口17通入相变材料2。
反应器壳体3外侧包裹有一层保温层5。
参见图2，本发明公开的螺旋管式相变储热的气固储氢反应器，包括带有便于螺旋管安装固定的凸台18的反应器壳体3以及反应器外壁包裹的保温层5；反应器内装有螺旋管换热器4，螺旋管内装填有相变材料2；相变材料2的装填采用泵19注入，将相变材料2加热，使其发生相变，熔化为液体，再通过泵19注入螺旋管换热器4中。相变材料2的选型取决于储氢材料，对于类似于镧镍系氢化物等可在常温或低于100℃的中低温下与氢气发生氢化/脱氢反应，相变材料可选择相变温度在50～80℃、相变潜热在200-300kJ/kg之间的石蜡等材料；对于类似于镁基配位氢化物等需在150℃以上中高温下与氢气发生氢化/脱氢反应，相变材料可选择相应的较高相变温度、较高相变潜热的材料，如无机水合盐；对于类似于纯镁基或钙基氢化物等需在350～500℃高温下与氢气发生氢化/脱氢反应，相变材料可选择相变温度在350℃以上、相变潜热在300kJ/kg以上的盐与复合盐、金属与合金等类型的相变材料。针对不同操作温度下的储氢材料，选择不同种类的相变材料，操作温度范围宽，适用于吸放氢条件在常温～500℃的储氢材料气固反应器。整个反应器采用法兰盖7和法兰密封垫圈15进行密封，在法兰盖7上开有进气管路11、进气阀门12、出气管路9和出气阀门10，供氢气的进出和调控其进出量，鉴于氢气的易燃易爆等高危险性特征，在法兰盖7上装有用于监测压力的压力传感器13、测温的热电偶8、紧急情况下泄压的安全阀14；金属氢化物床层1与反应器之间的空腔构成气相缓冲区，一方面是缓冲气体与合金的接触，另一方面是供合金转变为金属氢化物的体积膨胀，减少材料的应力，提高其循环稳定性和使用寿命等作用。
参见图3，本发明中的螺旋管换热器4使用固定螺母25进行固定。由于反应器壳体3为圆柱状，为了将螺旋管换热器4更好的固定在反应器壳体3上，在反应器壳体3上适当位置预留两个平面凸台18，便于螺母25装拆和螺旋管换热器4固定。螺旋管换热器4进出口两端分别设置有直径略大于螺纹孔的挡板23，挡板23与固定螺母25配合使螺旋管在反应器上固定。螺旋管换热器4内放置有适量的相变材料2，当反应吸氢放热时，加热螺旋管内的相变材料将热量储存起来，当反应放氢吸热时，相变材料2储存的热量又将用于向反应床层供给热量，利用相变储热技术实现金属氢化物储氢反应器的热自驱动，无需额外的换热流体及其加热装置，采用螺旋管放置相变材料，增加了换热面积，提高了换热效率。螺旋管末端装有阀门26，当装填相变材料2时，将阀门26打开，装填相变材料2完成后，将阀门关闭，以防止液态相变材料流出。
参见图1，氢源27出来的氢气经过阀门充入热量自平衡型反应器储存起来。燃料电池工作时，出气阀门10、第二阀门、第三阀门、第四阀门全部打开，使储存在反应器里的氢气释放，给氢燃料电池30提供氢气，产生电能，供给用电器使用。热量自平衡型氢动力系统，充分发挥了反应器热自驱动的优点，不需要额外的加热/冷却装置，实现了氢气从安全储存和便携式应用的目标，为氢气应用小型化和大规模应用奠定了基础。该种氢气利用方式，解决了以往氢气难以移动式安全应用的问题，且使用过程安全可靠，可以集成化大规模使用。
综上所述，本发明公开的螺旋管式相变储热的气固储氢反应器，利用相变潜热储热技术与强化换热的螺旋管相结合，结合了相变材料自动储热和螺旋换热管换热效果好的优点，节约能源，且降低了装置的成本，简化了反应器系统结构，使其紧凑化轻型化，便于携带，适用于移动便携式的应用场合，为金属氢化物储氢反应器热管理提供了很好的解决方式。

Claims (7)

1.一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，其特征在于，包括氢源(27)、热量自平衡型固态氢源反应器、氢燃料电池(30)、空气压缩系统(31)和真空泵(32)；热量自平衡型固态氢源反应器的入口连接氢源(27)，热量自平衡型固态氢源反应器的出口分为两路，一路连接氢燃料电池(30)，另一路连接真空泵(32)；
热量自平衡型固态氢源反应器包括反应器壳体(3)、螺旋管换热器(4)、法兰盖(7)、出气管路(9)、进气管路(11)、相变材料入口(17)、合金床层(1)和相变材料出口(26)；反应器壳体(3)为上端开口的桶状结构，反应器壳体(3)内设置有合金床层(1)，合金床层(1)内设置有螺旋管换热器(4)；反应器壳体(3)的侧壁上部设置有相变材料入口(17)，反应器壳体(3)的侧壁下部设置有相变材料出口(26)，螺旋管换热器(4)的一端连接相变材料入口(17)，另一端连接相变材料出口(26)；反应器壳体(3)的开口处密封设置有法兰盖(7)，法兰盖(7)上设置有出气管路(9)和进气管路(11)，分别作为热量自平衡型固态氢源反应器的出口和入口；法兰盖(7)与合金床层(1)之间留有空隙形成气相缓冲区(6)，出气管路(9)和进气管路(11)与气相缓冲区(6)连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，其特征在于，氢源(27)连接进气管路(11)，进气管路(11)上设置有进气阀门(12)；出气管路(9)上设置有出气阀门(10)，出气阀门(10)通过管道连接有第三阀门，出气阀门(10)到第三阀门的管道上依次设置有第二阀门和流量计(28)；第三阀门处分为两路，一路连接真空泵(32)，另一路连接氢燃料电池(30)，氢燃料电池(30)连接有空气压缩系统(31)；第三阀门与氢燃料电池(30)之间设置有第四阀门；第三阀门和第四阀门之间设置有压力表(29)；相变材料出口(26)连接有泵(19)。
3.根据权利要求1所述的一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，其特征在于，法兰盖(7)上设置有压力测量管路，压力测量管路一端伸入到气相缓冲区(6)，另一端分为两个支路，一路连接有压力传感器(13)，另一路连接有安全阀(14)。
4.根据权利要求1所述的一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，其特征在于，法兰盖(7)上设置有两个不同长度的测温热电偶(8)，一个伸入到气相缓冲区(6)，另一个伸入到合金床层(1)；测温热电偶(8)与法兰盖为螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，其特征在于，法兰盖(7)通过螺栓与反应器壳体(3)固定连接，法兰盖(7)与反应器壳体(3)的连接处设置有法兰密封圈(15)；法兰盖(7)下表面的出气管路(9)和进气管路(11)处设置有滤网(16)。
6.根据权利要求1所述的一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，其特征在于，反应器壳体(3)在相变材料入口(17)和相变材料出口(26)处的侧壁上设置有凸台；凸台处设置有与螺旋管换热器(4)管道相匹配的孔，螺旋管换热器(4)的两端分别设置在孔内；反应器壳体(3)内侧的螺旋管换热器(4)上沿反应器壳体(3)内侧到外侧的方向依次设置有挡板(23)和凸台垫片(24)；反应器壳体(3)内侧的螺旋管换热器(4)上设置有螺纹，螺纹上设置有螺旋换热管固定螺母(25)；反应器壳体(3)内侧的螺旋管换热器(4)上设置有阀门；相变材料入口(17)通入相变材料(2)。
7.根据权利要求1所述的一种基于热量自平衡型固态氢源反应器的氢动力系统，其特征在于，反应器壳体(3)外侧包裹有一层保温层(5)。
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