CN109653822A - 一种金属储氢材料氢能做功装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属储氢材料氢能做功装置，包括膨胀机、发电机、空气能热压系统、氢气换热器和氢气循环泵，膨胀机与发电机轴连接。空气能热压系统设有氢气换热中心、空气能换热器和至少两组氢反应床组或热罐氢反应床组床。空气能热压系统经氢气管路通过氢气循环泵和氢气换热器的管程连接到膨胀剂的入口，膨胀剂的出口连接到空气能热压系统，空气能热压系统的换热出口通过换热管路连接到氢气循环泵入口，氢气循环泵出口通过氢气换热器的壳程连接到空气能热压系统。本发明以氢气等为循环工质，将空气热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，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。

Description

一种金属储氢材料氢能做功装置

技术领域

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种金属储氢材料氢能做功装置。

背景技术

自然界充满着无限的常温能源，空气、海水等无限量的常温能源，具有开发潜力。地球上的能源绝大部分来自于太阳，在能源日益紧缺的今天，新的可再生绿色洁净发电技术日益受到重视。现在新能源中，水能和风能发电技术应用较为普遍，技术也较为成熟。水电开发潜力不大，而风力又过于分散，只能在一些特定区域有用，而且水能和风能发电装置投入很大，占地面积广。空气能已逐步进入人们的视野中，目前空气能热水器也得到了普遍应用，其原理就是利用空气中的热能，通过热泵加热水。但是利用空气能发电的技术非常少，技术不够成熟，难以推广应用。

授权公告号为CN202055876U，授权公告日为2011年11月30日的中国实用新型专利公开了一种新能源太阳能热力超临界低温空气能发电装置。包括吸热器、膨胀发电机组、回热器、冷却器、增压泵、制冷机及其管道附件及检测和控制装置，密闭系统内有氮气或混合工质。工质经吸热器成为高压超临界流体，经膨胀发电机组做功发电成为临界状态工质，经回热器、冷却器冷凝，由增压泵压入回热器换热再进吸热器吸热形成封闭循环发电系统。它也可以用于余热废热地热等中低温热源发电，工质用二氧化碳或混合工质。该实用新型专利能够将空气能转化成推动发电机组转动的动能，但是因冷却器冷凝需要耗能，其系统能量转换率变低，发电机发电量较小，实际推广价值有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属储氢材料氢能做功装置，以氢气等为循环工质，将空气热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，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。

本发明的技术方案是：

一种金属储氢材料氢能做功装置，所述系统包括膨胀机、发电机、空气能热压系统、氢气换热器和氢气循环泵，所述膨胀机与发电机轴连接；所述空气能热压系统经氢气管路依次通过氢气循环泵和氢气换热器的管程连接到膨胀机的入口，膨胀机的出口连接到空气能热压系统，所述空气能热压系统的换热出口通过换热管路连接到氢气换热器的壳程入口，氢气换热器的壳程出口通过氢气循环泵连接到空气能热压系统的换热入口。

所述空气能热压系统为氢反应床空气能系统或热压罐空气能系统。

当所述空气能热压系统为氢反应床空气能系统，所述氢反应床空气能系统设有氢气换热中心、空气能换热器和至少两组氢反应床组，每个氢反应床组至少设有两台氢反应床，氢气换热中心分为高压部分和低压部分；所述氢反应床一头设有氢气入口和循环氢气入口，另一头设有氢气出口、循环氢气出口和金属添加抽出口，所述氢反应床的中部设有循环换热口和换热氢气口；所述氢反应床组的两台氢反应床通过双向螺杆输送机相互连接，形成两两结合的形式；所述氢气出口经氢气管路依次通过氢气循环泵和氢气换热器的管程连接到膨胀机的入口，所述膨胀机的出口通过氢气回路连接到氢气入口；所述循环氢气出口经氢气循环管路通过三通阀分为两路，一路连接到氢气换热中心的高压部分，另一路连接到氢气换热中心的低压部分，所述氢气换热中心的高压部分和低压部分经氢气循环管路通过三通阀连接到循环氢气入口，氢气循环管路设有氢气循环泵；所述换热氢气口与空气能换热器循环连接，所述循环换热口通过换热管路与氢气换热器的壳程循环连接，换热管路设有氢气循环泵。

当所述空气能热压系统为热压罐空气能系统，所述热压罐空气能系统设有氢气换热中心、空气能换热器和至少两组热罐氢反应床组，每组热罐氢反应床组包含一个氢反应床和一个热压罐；氢气换热中心分为高压部分和低压部分；所述氢反应床设有氢气入口、氢气出口、循环氢气出口和循环氢气入口；所述热压罐设有热压氢气出口、低压氢气入口、换热氢口、循环换热气体口、防冻液进口和防冻液出口；所述热压氢气出口、换热氢气口和循环换热气体口设有过滤膜；所述氢气出口分为两路，一路经氢气管路通过氢气循环泵、氢气换热器的管程连接到膨胀机入口，氢气换热器的壳程连接到每台热压罐的循环换热气体口；所述氢气出口的另一路通过氢气分路连接到氢气换热中心；所述膨胀机出口经氢气回路通过阀门连接到热压罐的低压氢气入口；所述热压罐的热压氢气出口经过滤膜连接到氢反应床的氢气入口，所述循环氢气出口经氢气循环管路通过三通阀分为两路，一路连接到氢气换热中心的高压部分，另一路连接到氢气换热中心的低压部分，所述氢气换热中心的高压部分和低压部分经氢气循环管路通过三通阀连接到循环氢气入口，氢气循环管路设有氢气循环泵；所述热压罐的换热氢口与空气能换热器循环连接，空气能换热器设有与大气连通的空气能输入口和空气能输出口；所述防冻液槽的液体出口通过液压管路经加压泵连接热压罐的防冻液进口，热压罐的防冻液出口经液压管路连接防冻液槽的液体入口。

所述氢气换热中心内设有循环管路，所述低压部分与高压部分通过循环管路连通，循环管路上设有循环泵。

所述氢反应床内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物；低压氢气由低压氢气入口进入氢反应床，低压氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出高压氢气；所述氢反应床为一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构，允许每级氢反应床中的每个氢反应床内的金属氢化物的品种、质量或体积可以不一样，每级氢反应床的吸放氢气的温度和压力可以相同或者不同。

所述空气能换热器的空气被常温或低温的固态、液态、气态的其它介质所代替；空气能换热器被合并组合为空气能换热中心；空气能可以部分被移动设备或固定设备所配套的机械或电子装置的发热能量所代替，以降低移动设备或固定设备的温升。

所述系统安装在交通工具、移动设备或固定场所提供电能。

所述氢反应床采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质；氢反应床采用的高压或低压循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质，循环介质可以是气体、液体、固体，或气液固之间二二混合或三相混合循环介质，直接进入氢反应床进行加热或移热；对氢反应床吸氢时放出的反应热，采用换热循环介质进行移热，换热循环介质包括但不限于氢气，氢气的温度可以跟吸氢温度不同，当氢气的温度不同于吸氢温度时，吸氢时的换热循环介质可以采用间断直接进入或变流量直接进入氢反应床内部，从而使氢反应床的吸氢温度在吸氢温度以下保持稳定；对氢反应床放氢时需要的反应热，采用换热循环介质进行加热，外界的热量直接带入氢反应床，加热循环介质包括但不限于氢气，氢气的温度可以跟放氢温度不同，当氢气的温度不同于放氢温度时，放氢时的加热循环介质可以采用间断直接进入或变流量直接进入氢反应床内部，从而使氢反应床的放氢温度在放氢温度以上保持稳定。

所述氢反应床设置有金属氢化物更换装置，将生产过程中粉化或老化的金属氢化物快速移出并更换装载新的金属氢化物，利用吸放氢间歇时间快速更换氢反应床内的物料，也可以停机更换氢反应床内的物料，被更换的物料可以是吸氢状态，也可以是放氢状态，也可以是吸放氢的过渡状态。

所述氢反应床设有使用过的金属氢化物抽出口和新鲜金属氢化物加入口，所述金属氢化物更换装置包括新鲜金属氢化物仓和使用过的金属氢化物仓，所述使用过的金属氢化物抽出口通过密封阀和抽出泵连接到使用过的金属氢化物仓，所述新鲜金属氢化物仓通过添加泵和密封阀连接到氢反应床；所述金属氢化物更换装置包括但不限于采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内金属氢化物更换的任何方法都适用。

所述双向螺杆输送机替换为包括但不限于重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床之间物料双向输送且有效隔绝氢反应床之间气体的任何方法都适用。

本发明金属储氢材料氢能做功装置以氢气等为循环工质，利用空气或工业废气余热热量，通过工质循环驱动膨胀机做功，将热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，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。将本发明安装在轮船等交通工具，可以利用海水等其它自然物质所携带的能量，通过工质循环驱动膨胀机做功，将热能转变为机械能驱动交通工具运行，实现绿色交通。通过本发明适当替换可以实现烟气等携带热能废气的余热利用，扩大应用范围。

附图说明

图1为本发明金属储氢材料氢能做功装置流程示意图；

图2为本发明金属储氢材料氢能做功装置流程详细示意图；

图3为本发明金属储氢材料氢能做功装置截面示意图；

图4为本发明金属储氢材料氢能做功装置另一实施例的流程详细示意图；

图5为氢反应床金属储氢材料更换装置图。

其中：1—氢气回路、2—膨胀机、3—发电机、4—氢气换热中心、5—换热氢口、6—氢气分路、7—换热管路、8—热罐氢反应床组、9—双向螺杆输送机、10—氢气循环管路、11—氢气循环泵、12—热压氢气出口、13—氢反应床组、14—氢气管路、15—空气能换热器、16—换热氢气口、17—金属添加抽出口、18—氢气出口、20—氢气入口、21—阀门、22—氢气换热器、23—新鲜金属储氢材料仓、24—使用过的金属储氢材料仓、25—空气能热压系统、26—防冻液槽、27—防冻液进口、28—空气能输入口、29—循环氢气出口、30—循环氢气入口、31—防冻液出口、32—低压氢气入口、34—循环换热气体口、35—氢反应床、36—使用过的金属储氢材料抽出口、37—新鲜金属储氢材料加入口、38—密封阀、39—添加泵、40—抽出泵、41—循环换热口、42—低压部分、43—高压部分、44—三通阀、45—氢反应床空气能系统、55—热压罐空气能系统、56—热压罐。

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。

本发明金属储氢材料氢能做功装置如图1-图3所示，包括膨胀机2、发电机3、氢气换热中心4、空气能换热器15和三组氢反应床组13。每组氢反应床组包含两个氢反应床，即：A1-A2氢反应床组、B1-B2氢反应床组和C1-C2氢反应床组。氢气换热中心4分为高压部分43和低压部分42。膨胀机2和发电机3轴连接，发电机发的电并入电网外供。氢反应床一头设有氢气入口20和循环氢气入口30，另一头设有氢气出口18、循环氢气出口29和金属添加抽出口17，氢反应床的中部设有循环换热口41和换热氢气口16。氢反应床组13的两台氢反应床通过双向螺杆输送机9相互连接，将金属储氢材料物料相互输送。氢气出口18经氢气管路14通过氢气循环泵11、氢气换热器22的管程连接到膨胀机2入口，膨胀机2出口经氢气回路1通过阀门21连接到氢气入口20。循环氢气出口29通过氢气循环管路10连接到三通阀44，三通阀44一路出口连接到氢气换热中心4的高压部分43，一路连接到低压部分42。高压部分43和低压部分42经三通阀44和氢气循环管路10连接到循环氢气入口30，氢气循环管路10设有氢气循环泵11。每台氢反应床的循环换热口41通过换热管路7与氢气换热器22的壳程循环连接，换热管路7上设有氢气循环泵11。换热氢气口16与空气能换热器15循环连接，空气能换热器15设有与大气连通的空气能输入口和空气能输出口。

当氢反应床处于高压吸氢操作时，该氢反应床的循环氢气出口29通过三通阀44切换连通到氢气换热中心4的高压部分43。当氢反应床处于低压放氢操作时，该氢反应床的循环氢气出口29通过三通阀44切换连通到氢气换热中心4的低压部分42；高压部分中的循环氢气与低压部分中的循环氢气之间通过换热盘管进行间壁换热。双向螺杆输送机9是密封固体输送装置，可以使两个氢反应床之间的气体有效隔绝，密封可以采用物料迷宫密封或活塞环密封等多种密封方法。

本发明金属储氢材料氢能做功装置的运行方式为：如图1所示，30MPa、-104.6℃，流量0.236kg/s的氢气进入膨胀机2的入口，在膨胀机2内膨胀做功，输出功率为100kW，膨胀机出口15MPa、-131.2℃的氢气进入空气能热压系统25进行等容热压和氢反应床吸/放氢过程，氢气经过空气能热压系统25后升温升压到15℃，30MPa；从空气能热压系统25出来的30MPa、15℃、0.236kg/s的氢气进入氢气换热器22的管程，由壳程的循环换热氢气将热量带出输入到各个氢反应床，30MPa、15℃的氢气降温到30MPa、-104.6℃进入膨胀机2的入口循环做功。空气能热压系统25内15MPa、-131.2℃、0.236kg/s的氢气被加热到15℃分两步进行，第一步由氢气换热器22的循环换热氢气在氢反应床内等容热压到-13.2℃、29.6MPa，换热量约为429kW，第二步由空气进一步等容热压到15℃、33MPa。然后15℃、33MPa的氢气在空气能热压系统内被金属储氢材料吸收，再由吸氢后的金属储氢材料持续稳定地放出15℃、30MPa的氢气并送出空气能热压系统25，完成图1所示的循环。

如图2所示，假定空气温度为20℃，采用稀土类金属储氢材料，利用金属储氢材料的吸氢、放氢功能，通过多个氢反应床的间歇切换操作，进行交替等容热压、吸氢、放氢的过程，使得15MPa、-131.2℃、0.236kg/s的氢气连续进入，30MPa、15℃、0.236kg/s的氢气连续排出，通过膨胀机2进行做功循环。

下面详细叙述图2中六个氢反应床的切换操作过程：

1.首先打开氢反应床A1的氢气入口20的阀门，关闭其余阀门，将膨胀机2出口的15MPa、-131.2℃的氢气充入氢反应床A1中。此时氢反应床A1中金属储氢材料已抽出，无金属储氢材料，且氢反应床A1内氢气在15MPa以下较低的压力。充入完成后，关闭氢反应床A1的氢气入口20的阀门。

2.然后打开氢反应床A1的循环换热口41的阀门，通过氢气换热器22的循环换热氢气加热氢反应床A1中的氢气，等容热压到29.6MPa、-13.2℃后，关闭循环换热口41的阀门。再打开换热氢气口16的阀门，通过空气能换热器15的循环换热氢气等容热压到33MPa、15℃后，关闭换热氢气口16的阀门。

3.开启双向螺杆输送机9，将氢反应床A2中放氢结束的金属储氢材料逐步加入到氢反应床A1中。加入的金属储氢材料在氢反应床A1中进行吸氢反应，氢反应床A1中的氢气被吸收，由于金属储氢材料加入氢反应床A1占用了氢反应床A1的空间体积，从而保证氢反应床A1中的压力稳定在33MPa持续反应完成吸氢过程，同样由于氢反应床A2内金属储氢材料被双向螺杆输送机9逐渐移出，氢反应床A2中的压力逐渐下降到15MPa以下较低压力，然后将膨胀机出口来的15MPa、-131.2℃的氢气逐渐充入氢反应床A2中。关闭双向螺杆输送机9管路上的阀门。在氢反应床A1内吸氢反应进行的同时，打开氢反应床A1的循环氢气出口29和循环氢气入口30并切换连通到氢气换热中心4的高压部分，通过循环换热氢气与氢气换热中心4的低压部分进行换热，将吸氢反应放出的热量转移出去。在这个过程中，为了有利于系统平衡，允许氢气循环管路10上面的氢气循环泵11短暂关闭。氢反应床A1在金属储氢材料吸氢时温度始终维持在15℃附近，氢气换热中心4的温度始终维持在15℃附近。

4.当氢反应床A1中的金属储氢材料在33MPa，15℃附近吸氢饱和后，开启高压氢气出口18的阀门，放出氢气；同时将氢反应床A1的循环氢气出口29和循环氢气入口30切换连通到氢气换热中心4的低压部分，通过换热循环氢气加热氢反应床A1中的已吸氢饱和的金属储氢材料，持续放出30MPa，15℃的氢气，并经由氢气管路14将30MPa，15℃的氢气送出空气能热压系统25。

5.在氢反应床A1进行操作4的同时：氢反应床A2开启氢气入口20的阀门，将膨胀机出口来的15MPa、-131.2℃的氢气充入氢反应床A2中；氢气充入完成后，氢反应床A2关闭氢气入口20的阀门，同时氢反应床A2的循环氢气出口29和循环氢气入口30依然保持关闭；然后氢反应床A2打开循环换热口41的阀门，通过氢气换热器22的循环换热氢气加热氢反应床A2中的氢气，等容热压到29.6MPa、-13.2℃后，关闭循环换热口41的阀门；再打开氢反应床A2的换热氢气口16的阀门，通过空气能换热器15的循环换热氢气等容热压到33MPa、15℃后，关闭换热氢气口16的阀门。

6.氢反应床A1放氢完成后，关闭氢反应床A1的氢气出口18的阀门，并开启双向螺杆输送机9，将放氢结束的金属储氢材料从氢反应床A1加入到氢反应床A2中。加入的金属储氢材料在氢反应床A2中进行吸氢反应，氢反应床A2中的氢气被吸收，由于金属储氢材料加入氢反应床A2占用了氢反应床A2的空间体积，从而保证氢反应床A2中的压力稳定在33MPa持续反应完成吸氢；同样由于氢反应床A1内金属储氢材料被双向螺杆输送机9逐渐移出，氢反应床A2中的压力逐渐下降到15MPa以下较低的压力。关闭双向螺杆输送机9管路上的阀门。同时氢气换热中心4高压部分的循环换热氢气将氢反应床A2吸氢放出的热量转移到换热中心4的低压部分。

7.通过双向螺杆输送机9在氢反应床A1和氢反应床A2之间将金属储氢材料转换操作，达到等容热压、吸氢、放氢的稳定过程。氢反应床B1和氢反应床B2以及氢反应床C1和氢反应床C2进行同样的金属储氢材料转换操作，同时通过三组氢反应床合理的时序安排，保证15MPa、-131.2℃的氢气连续稳定进入，30MPa、15℃的氢气连续稳定输出。

氢反应床A1处在放氢状态，氢反应床B1处在吸氢即将结束准备放氢，氢反应床C1处在正在吸氢，相应的氢反应床A2、B2、C2都是加入15MPa低压氢气的等容热压过程。对应的，当氢反应床A2处在放氢状态，氢反应床B2处在吸氢即将结束准备放氢，氢反应床C2处在正在吸氢。总有一个氢反应床处在放氢状态，一个处在准备放氢状态，一个处在吸氢状态。氢反应床吸氢时放出的热量通过循环换热氢气经氢气循环管路10带入氢气换热中心4，氢反应床放氢时需要的热量从氢气换热中心4通过氢气循环管路10带入氢反应床。设定吸氢速率是放氢速率的二分之一，因此整个吸放氢热量整体平衡。允许每个氢反应床可以同时带有部分金属储氢材料，不影响上述操作。

该系统吸收空气能的热效率在15%以上。

双向螺杆输送机9可以替换为重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床之间物料双向输送且有效隔绝氢反应床之间气体的任何方法都适用。

如图5所示，氢反应床设有金属储氢材料更换装置，使已经粉化或老化的金属储氢材料能及时更新，保证吸放氢的效率。氢反应床设有使用过的金属储氢材料抽出口36和新鲜金属储氢材料加入口37，所述金属储氢材料更换装置包括新鲜金属储氢材料仓23和使用过的金属储氢材料仓24，所述使用过的金属储氢材料抽出口36通过密封阀38和抽出泵40连接到使用过的金属储氢材料仓24，新鲜金属储氢材料仓23通过添加泵39和密封阀38连接到氢反应床的新鲜金属储氢材料加入口37。金属储氢材料更换装置或采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内金属储氢材料更换的任何方法都适用。

金属储氢材料更换的运行过程为：需要更换金属储氢材料时，先关闭新鲜金属储氢材料加入口37的密封阀38，打开使用过的金属储氢材料抽出口36的密封阀38，启动抽出泵40由氢反应床向使用过的金属储氢材料仓24输送使用过的金属储氢材料；氢反应床中使用过的金属储氢材料抽出后，关闭使用过的金属储氢材料抽出口36的密封阀38，打开新鲜金属储氢材料加入口37的密封阀38，启动添加泵39由新鲜金属储氢材料仓23向氢反应床中添加新鲜金属储氢材料，添加完后关闭新鲜金属储氢材料加入口37的密封阀38。所有的管道和储罐，除了换热盘管，都有外保温或内外保温。空气能可以部分被移动设备或固定设备所配套的机械或电子装置的发热能量所代替，以降低移动设备或固定设备的温升。

实施例2

本发明金属储氢材料氢能做功装置的另一种实施例如图1和图4所示，包括膨胀机2、发电机3、氢气换热中心4、空气能换热器15和三组热罐氢反应床组8，每组热罐氢反应床组包含一个氢反应床和一个热压罐56。所述膨胀机2和发电机3轴连接，发电机发的电并入电网外供。所述氢反应床设有氢气入口20、氢气出口18、循环氢气出口29和循环氢气入口30。所述热压罐设有热压氢气出口12、低压氢气入口32、换热氢口5、循环换热气体口34、防冻液进口27和防冻液出口31。所述热压氢气出口12、换热氢口5和循环换热气体口34设有过滤膜19。所述氢气出口18分为两路，一路经氢气管路14通过氢气循环泵11、氢气换热器22的管程连接到膨胀机2入口，氢气换热器22的壳程连接到每台热压罐56的循环换热气体口34。所述氢气出口18的另一路通过氢气分路6连接到氢气换热中心4。所述膨胀机2出口经氢气回路1通过阀门21连接到热压罐的低压氢气入口32。所述热压罐56的热压氢气出口12经过滤膜19连接到氢反应床的氢气入口20，所述氢反应床的循环氢气出口29通过设有氢气循环泵11的氢气循环管路10连接到氢气换热中心4，氢气换热中心4通过氢气循环管路10连接到氢反应床的循环氢气入口30。所述氢气换热中心4分为高压部分和低压部分；当氢反应床处于高压吸氢操作时，该氢反应床的循环氢气出口通过三通阀切换连通到氢气换热中心的高压部分；当氢反应床处于低压放氢操作时，该氢反应床的循环氢气出口通过三通阀切换连通到氢气换热中心的低压部分；高压部分中的循环氢气与低压部分中的循环氢气之间通过换热盘管进行间壁换热。所述热压罐的换热氢口5与空气能换热器15循环连接，空气能换热器15设有与大气连通的空气能输入口和空气能输出口。所述防冻液槽26的液体出口通过液压管路经加压泵连接热压罐的防冻液进口27，热压罐的防冻液出口28经液压管路连接防冻液槽26的液体入口。

本发明金属储氢材料氢能做功装置的运行方式为：如图1所示，30MPa、-104.6℃流量0.236kg/s的氢气进入膨胀机2的入口，在膨胀机2内膨胀做功，输出功率为100kW；膨胀机出口15MPa、-131.2℃的氢气进入空气能热压系统25进行等容升温增压（等容热压过程）和氢反应床吸/放氢过程，氢气经过空气能热压系统25后升温升压到15℃，30MPa；从空气能热压系统25出来的30MPa、15℃、0.236kg/s的氢气进入氢气换热器22的管程，由壳程的循环换热氢气将热量带出输入到各个热压罐，30MPa、15℃的氢气降温到30MPa、-104.6℃进入膨胀机2的入口循环做功。空气能热压系统25内15MPa、-104.6℃、0.236kg/s的氢气被加热到15℃分两步进行，第一步由氢气换热器22的循环换热氢气在热压罐内等容热压到-13.2℃、29.6MPa，换热量约为429kW，第二步由空气进一步等容热压到15℃、33MPa。然后15℃、33MPa的氢气进入氢反应床被金属储氢材料吸收；再由吸氢后的金属储氢材料持续稳定地放出15℃、30MPa的氢气并送出空气能热压系统，完成图1所示的循环。

如图4所示，假定空气温度为20℃，采用稀土类金属储氢材料，利用金属储氢材料的吸氢、放氢功能，通过多个氢反应床的间歇切换操作，进行交替等容热压、吸氢、放氢的过程，使得15MPa、-131.2℃、0.236kg/s的氢气连续进入，30MPa、15℃、0.236kg/s的氢气连续排出，通过膨胀机2进行做功循环。

下面详细叙述图4中3个氢反应床和3个热压罐的切换操作过程：

1.首先打开热压罐A2的低压氢气入口32和防冻液出口31的阀门，关闭其余阀门，将膨胀机2出口的15MPa、-131.2℃的氢气充入热压罐A2中，氢气充入的同时将热压罐中的大部分防冻液经防冻液出口31排出至防冻液罐26中，防冻液罐26内压力低于15MPa。氢气充入完成后，关闭热压罐A2低压氢气入口32和防冻液出口31的阀门。

2.然后打开热压罐A2的循环换热气体口34的阀门，通过氢气换热器22的循环换热氢气加热氢反应床A1中的氢气，等容热压到29.6MPa、-13.2℃后，关闭循环换热气体口34的阀门。再打开换热氢口5的阀门，通过空气能换热器15的循环换热氢气等容热压到33MPa、15℃后，关闭换热氢口5的阀门。

3.打开热压氢气出口12和氢反应床A1的氢气入口20之间的阀门，将热压罐A2中33MPa、15℃的氢气加入到氢反应床A1中；热压罐氢气输出的同时打开防冻液进口27的阀门，通过加压泵将防冻液罐26中的防冻液加压到33MPa打入热压罐中，保证热压罐中的压力稳定在33MPa。氢气进入氢反应床A1中被吸收，在氢反应床A1内吸氢反应进行的同时，打开氢反应床A1的循环氢气出口29和循环氢气入口30并切换连通到氢气换热中心4的高压部分，通过循环换热氢气与氢气换热中心4的低压部分进行换热，将吸氢反应放出的热量转移出去。吸氢完成后，关闭热压氢气出口12和氢反应床A1的氢气入口20之间的阀门，并关闭热压罐A2的防冻液进口27的阀门和氢反应床A1的循环氢气出口29、循环氢气入口30的阀门。氢反应床A1在金属储氢材料吸氢时温度始终维持在15℃附近，氢气换热中心4的温度始终维持在15℃附近。

4.当氢反应床A1中的金属储氢材料在33MPa，15℃附近吸氢饱和后，开启高压氢气出口18的阀门，放出氢气；同时将氢反应床A1的循环氢气出口29和循环氢气入口30切换连通到氢气换热中心4的低压部分，通过换热循环氢气加热氢反应床A1中的已吸氢饱和的金属储氢材料，持续放出30MPa，15℃的氢气，并经由氢气管路14将30MPa，15℃的氢气送出空气能热压系统25。

5.在氢反应床A1进行操作4的同时，热压罐A2重复进行操作1和2，加入膨胀机2出口来的15MPa、-131.2℃的氢气，并将其等容热压至到33MPa、15℃。

6.氢反应床A1放氢完成后，氢反应床A1和热压罐A2重复进行操作3。

7.氢反应床B1和热压罐B2以及氢反应床C1和热压罐C2进行上述同样的操作循环，并通过三组热压反应床合理的时序安排，保证整个空气能热压系统实现15MPa、-131.2℃的氢气连续稳定进入，30MPa、15℃的氢气连续稳定输出。

氢反应床A1处在放氢状态，氢反应床B1处在吸氢即将结束准备放氢，氢反应床C1处在正在吸氢，热压罐A2、B2、C2则进行相应的等容热压过程以保证氢反应床A1、A2、A3吸氢操作的进行。这样总有一个氢反应床处在放氢状态，一个处在准备放氢状态，一个处在吸氢状态。氢反应床吸氢时放出的热量通过循环换热氢气经氢气循环管路10带入氢气换热中心4，氢反应床放氢时需要的热量从氢气换热中心4通过氢气循环管路10带入氢反应床。设定吸氢速率是放氢速率的二分之一，因此整个吸放氢热量整体平衡。

氢反应床设有金属储氢材料更换装置，使已经粉化或老化的金属储氢材料能及时更新，保证吸放氢的效率，其金属储氢材料更换装置与实施例1相同。

Claims (12)

1.一种金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述系统包括膨胀机（2）、发电机（3）、空气能热压系统（25）、氢气换热器（22）和氢气循环泵（11），所述膨胀机与发电机轴连接；所述空气能热压系统（25）经氢气管路（14）依次通过氢气循环泵（11）和氢气换热器（22）的管程连接到膨胀机（2）的入口，膨胀机的出口连接到空气能热压系统（25），所述空气能热压系统（25）的换热出口通过换热管路（7）连接到氢气换热器（22）的壳程入口，氢气换热器（22）的壳程出口通过氢气循环泵连接到空气能热压系统（25）的换热入口。

2.根据权利要求1所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述空气能热压系统（25）为氢反应床空气能系统（45）或热压罐空气能系统（55）。

3.根据权利要求2所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述空气能热压系统（25）为氢反应床空气能系统（45），所述氢反应床空气能系统（45）设有氢气换热中心（4）、空气能换热器（15）和至少两组氢反应床组（13），每个氢反应床组至少设有两台氢反应床，氢气换热中心（4）分为高压部分（43）和低压部分（42）；所述氢反应床一头设有氢气入口（20）和循环氢气入口（30），另一头设有氢气出口（18）、循环氢气出口（29）和金属添加抽出口（17），所述氢反应床的中部设有循环换热口（41）和换热氢气口（16）；所述氢反应床组（13）的两台氢反应床通过双向螺杆输送机（9）相互连接，形成两两结合的形式；所述氢气出口（18）经氢气管路（14）依次通过氢气循环泵（11）和氢气换热器（22）的管程连接到膨胀机（2）的入口，所述膨胀机的出口通过氢气回路（1）连接到氢气入口（20）；所述循环氢气出口（29）经氢气循环管路（10）通过三通阀（44）分为两路，一路连接到氢气换热中心（4）的高压部分（43），另一路连接到氢气换热中心（4）的低压部分（42），所述氢气换热中心（4）的高压部分（43）和低压部分（42）经氢气循环管路（10）通过三通阀（44）连接到循环氢气入口（30），氢气循环管路（10）设有氢气循环泵（11）；所述换热氢气口（16）与空气能换热器（15）循环连接，所述循环换热口（41）通过换热管路（7）与氢气换热器（22）的壳程循环连接，换热管路（7）设有氢气循环泵（11）。

4.根据权利要求2所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述空气能热压系统（25）为热压罐空气能系统（55），所述热压罐空气能系统（55）设有氢气换热中心（4）、空气能换热器（15）和至少两组热罐氢反应床组（8），每组热罐氢反应床组包含一个氢反应床和一个热压罐（56）；氢气换热中心（4）分为高压部分（43）和低压部分（42）；所述氢反应床设有氢气入口（20）、氢气出口（18）、循环氢气出口（29）和循环氢气入口（30）；所述热压罐设有热压氢气出口（12）、低压氢气入口（32）、换热氢口（5）、循环换热气体口（34）、防冻液进口（27）和防冻液出口（31）；所述热压氢气出口（12）、换热氢气口（5）和循环换热气体口（34）设有过滤膜（19）；所述氢气出口（18）分为两路，一路经氢气管路（14）通过氢气循环泵（11）、氢气换热器（22）的管程连接到膨胀机（2）入口，氢气换热器（22）的壳程连接到每台热压罐的循环换热气体口（34）；所述氢气出口（18）的另一路通过氢气分路（6）连接到氢气换热中心（4）；所述膨胀机（2）出口经氢气回路（1）通过阀门（21）连接到热压罐的低压氢气入口（32）；所述热压罐的热压氢气出口（12）经过滤膜（19）连接到氢反应床的氢气入口（20），所述循环氢气出口（29）经氢气循环管路（10）通过三通阀（44）分为两路，一路连接到氢气换热中心（4）的高压部分（43），另一路连接到氢气换热中心（4）的低压部分（42），所述氢气换热中心（4）的高压部分（43）和低压部分（42）经氢气循环管路（10）通过三通阀（44）连接到循环氢气入口（30），氢气循环管路（10）设有氢气循环泵（11）；所述热压罐的换热氢口（5）与空气能换热器（15）循环连接，空气能换热器（15）设有与大气连通的空气能输入口和空气能输出口；所述防冻液槽（26）的液体出口通过液压管路经加压泵连接热压罐的防冻液进口（27），热压罐的防冻液出口（28）经液压管路连接防冻液槽（26）的液体入口。

5.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述氢气换热中心（4）内设有循环管路，所述低压部分（42）与高压部分（43）通过循环管路连通，循环管路上设有循环泵。

6.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述氢反应床内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物；低压氢气由低压氢气入口进入氢反应床，低压氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出高压氢气；所述氢反应床为一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构，允许每级氢反应床中的每个氢反应床内的金属氢化物的品种、质量或体积可以不一样，每级氢反应床的吸放氢气的温度和压力可以相同或者不同。

7.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述空气能换热器的空气被常温或低温的固态、液态、气态的其它介质所代替；空气能换热器被合并组合为空气能换热中心；空气能可以部分被移动设备或固定设备所配套的机械或电子装置的发热能量所代替，以降低移动设备或固定设备的温升。

8.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述系统安装在交通工具、移动设备或固定场所提供电能。

9.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述氢反应床采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质；氢反应床采用的高压或低压循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质，循环介质可以是气体、液体、固体，或气液固之间二二混合或三相混合循环介质，直接进入氢反应床进行加热或移热；对氢反应床吸氢时放出的反应热，采用换热循环介质进行移热，换热循环介质包括但不限于氢气，氢气的温度可以跟吸氢温度不同，当氢气的温度不同于吸氢温度时，吸氢时的换热循环介质可以采用间断直接进入或变流量直接进入氢反应床内部，从而使氢反应床的吸氢温度在吸氢温度以下保持稳定；对氢反应床放氢时需要的反应热，采用换热循环介质进行加热，外界的热量直接带入氢反应床，加热循环介质包括但不限于氢气，氢气的温度可以跟放氢温度不同，当氢气的温度不同于放氢温度时，放氢时的加热循环介质可以采用间断直接进入或变流量直接进入氢反应床内部，从而使氢反应床的放氢温度在放氢温度以上保持稳定。

10.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述氢反应床设置有金属氢化物更换装置，将生产过程中粉化或老化的金属氢化物快速移出并更换装载新的金属氢化物，利用吸放氢间歇时间快速更换氢反应床内的物料，也可以停机更换氢反应床内的物料，被更换的物料可以是吸氢状态，也可以是放氢状态，也可以是吸放氢的过渡状态。

11.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述氢反应床设有使用过的金属氢化物抽出口（36）和新鲜金属氢化物加入口（37），所述金属氢化物更换装置包括新鲜金属氢化物仓（23）和使用过的金属氢化物仓（24），所述使用过的金属氢化物抽出口（36）通过密封阀（38）和抽出泵（40）连接到使用过的金属氢化物仓（24），所述新鲜金属氢化物仓（23）通过添加泵（39）和密封阀（38）连接到氢反应床；所述金属氢化物更换装置包括但不限于采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内金属氢化物更换的任何方法都适用。

12.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能做功装置，其特征是：所述双向螺杆输送机（9）替换为包括但不限于重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床之间物料双向输送且有效隔绝氢反应床之间气体的任何方法都适用。