CN110925040A - 金属氢化物做功系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属氢化物做功系统，包括B1金属储氢材料反应床、B2金属储氢材料反应床、液氮高压泵、空气换热器、氢气换热器和氮气膨胀机。B1金属储氢材料反应床的第一液氮出口以及B2金属储氢材料反应床的第二液氮出口分别经液氮高压泵、空气换热器及氢气换热器与氮气膨胀机连接。本发明利用金属氢化物的吸氢/放氢特性，通过膨胀机做功，驱动做功设备或带动发电机发电，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。

Description

金属氢化物做功系统
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。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属氢化物做功系统，以氢气为循环工质，利用金属储氢材料吸氢放热和放氢吸热的特性，通过膨胀机做功，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。
根据第一方面，本申请实施例提供了一种金属氢化物做功系统，包括B1金属储氢材料反应床、B2金属储氢材料反应床、氢气压缩机、高压氢气循环泵、液氮高压泵、空气换热器、氢气换热器和氮气膨胀机。
所述B1金属储氢材料反应床的第一液氮出口以及所述B2金属储氢材料反应床的第二液氮出口分别与所述液氮高压泵的进口连接，所述液氮高压泵的出口与所述空气换热器的壳程入口连接，所述空气换热器的壳程出口与所述氢气换热器的壳程入口连接，所述氢气换热器的壳程出口与所述氮气膨胀机的入口连接，所述氮气膨胀机的出口分别与所述B1金属储氢材料反应床的第一氮气入口以及所述B2金属储氢材料反应床的第二氮气入口连接。
所述B1金属储氢材料反应床的第一放氢出口与所述氢气压缩机的入口连接，所述氢气压缩机的出口与所述B2金属储氢材料反应床的第二吸氢进口连接；所述B2金属储氢材料反应床的第二放氢出口与所述氢气压缩机的入口连接，所述氢气压缩机的出口与所述B1金属储氢材料反应床的第一吸氢进口连接。
所述B1金属储氢材料反应床的第一换热出口以及所述B2金属储氢材料反应床的第二换热出口分别与所述高压氢气循环泵的入口连接，所述高压氢气循环泵的出口与所述氢气换热器的管程入口连接，所述氢气换热器的管程出口分别与所述B1金属储氢材料反应床的第一换热进口以及所述B2金属储氢材料反应床的第二换热进口连接。
进一步的，所述系统还包括发电机；所述氢气压缩机、氮气膨胀机与发电机同轴连接，所述发电机电路连接到外部电网和/或蓄电池；所述氮气膨胀机包括但不限于叶轮旋转式和活塞式。
进一步的，所述B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床内分别设有换热盘管，所述B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床通过设置在其内部的换热盘管对进入其中的氮气进行冷却液化。或者，所述B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床采用直接换热方式对进入其中的氮气进行冷却液化。
进一步的，所述B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料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，通过阀门切换实现两者交替进行吸/放氢操作，其切换频率可以根据工艺条件进行调整；单个金属储氢材料反应床装填金属氢化物的量允许存在冗余，这样可以保证每次吸放氢速率满足快速高低压切换的需求，其冗余当量倍数根据工艺条件可以进行调整；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。
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、温度调节器和保护气入口，保护气入口设有阀门，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，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。
温度正相关的金属氢化物做功的定义为高温吸收高压氢气放出高温热量，低温放出低压氢气释放低温冷量；在高温时吸收氢气放出高温热量，利用换热氢气将以上热量传递给氢气换热器用来做功氮气的升温；换热氢气不参与膨胀机的做功；系统至少存在两个负压单元，一个是金属氢化物的负压，另一个是氮气液化的负压；低温下的氮气换热就是利用金属氢化物低温放出低压氢气时吸热，将金属氢化物产生的低温冷量用来冷却氮气进行液化；系统设备和管道设有外保温、内保温、内外保温。
至少有一种金属氢化物组成循环做功系统，包括金属氢化物在内的至少两个负压单元组成的循环做功系统，至少一种金属氢化物进行高低压切换时包括但不限于是温度正相关的循环做功系统；金属氢化物的高温点包括但不限于高于环境温度的任一温度，金属氢化物的低温点包括但不限于低于氮气的液化温度或包括但不限于在氢气液化温度附近；金属氢化物包括但不限于钛系金属氢化物。
根据第二方面，本申请实施例提供了一种金属氢化物做功系统，包括B1金属储氢材料反应床、B2金属储氢材料反应床、液氢高压泵、高压氢气循环泵、空气换热器、氢气换热器、氢气膨胀机和发电机，所述氢气膨胀机可以被包括但不限于叶轮旋转式和活塞式的动力机械所代替。
所述B1金属储氢材料反应床的第一放氢出口和B2金属储氢材料反应床的第一放氢出口分别与液氢高压泵的入口连接，液氢高压泵的出口与空气换热器的壳程入口连接，空气换热器的壳程出口与氢气换热器的壳程入口连接，氢气换热器的壳程出口与氢气膨胀机的入口连接，氢气膨胀机的一级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床的第一吸氢进口和B2金属储氢材料反应床的第二吸氢进口连接，氢气膨胀机的二级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床的第一液化入口以及B2金属储氢材料反应床的第二液化入口连接；氢气膨胀机和发电机同轴连接。
B1金属储氢材料反应床的第一换热出口以及B2金属储氢材料反应床的第二换热出口分别与高压氢气循环泵的入口连接，高压氢气循环泵的出口与氢气换热器的管程入口连接，氢气换热器的管程出口分别与B1金属储氢材料反应床的第一换热进口以及B2金属储氢材料反应床的第二换热进口连接。
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、温度调节器和保护气入口，保护气入口设有阀门，保护罩内填充的气体包括但不限于氢气、氮气、氦气。
根据第三方面，本申请实施例提供了一种金属氢化物做功系统，包括B1金属储氢材料反应床、B2金属储氢材料反应床、液氢高压泵、空气换热器、氢气膨胀机和发电机，所述氢气膨胀机包括但不限于叶轮旋转式和活塞式。
所述B1金属储氢材料反应床的第一放氢出口和B2金属储氢材料反应床的第二放氢出口分别与液氢高压泵的入口连接，所述液氢高压泵的出口与所述空气换热器的壳程入口连接，所述空气换热器的壳程出口分别与B1金属储氢材料反应床的第一换热进口和B2金属储氢材料反应床的第二换热进口连接。
所述B1金属储氢材料反应床的第一换热出口和B2金属储氢材料反应床的第二换热出口分别与所述氢气膨胀机的入口连接，所述氢气膨胀机的一级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床的第一吸氢进口和B2金属储氢材料反应床的第二吸氢进口连接，所述氢气膨胀机的二级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床的第一液化入口以及B2金属储氢材料反应床的第二液化入口连接；所述氢气膨胀机和发电机同轴连接。
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、温度调节器和保护气入口，保护气入口设有阀门，保护罩内填充的气体包括但不限于氢气、氮气、氦气。
B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床只让来自氢气膨胀机的一级膨胀出口的低压氢气进入金属储氢材料反应床进行吸氢操作，来自空气换热器出口的高压氢气只作为换热氢气，由于金属储氢材料反应床内温度高于金属氢化物的吸氢温度时，高压氢气才会进入金属储氢材料反应床与金属氢化物接触，因此高压氢气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。
所述B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床仅允许氢气等气体、液体或其他介质进出，不允许金属储氢材料进出，即不允许金属储氢材料泄露，B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床内所装填的金属储氢材料可以被包括但不限于金属、有机溶剂、活性炭、碳纳米管等代替。
本发明公开的金属氢化物做功系统，在B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床内装填金属氢化物，利用金属氢化物吸氢放热和放氢吸热的特性，冷却或加热做功氮气或氢气，通过氮气膨胀机或氢气膨胀机做功，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，通过工质循环驱动膨胀机做功，将柯来浦氢能转变为机械能从而驱动交通工具运行，实现绿色交通和发电。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。至少有一种金属氢化物组成循环做功系统，包括金属氢化物在内的至少一个的负压单元组成的循环做功系统，单一金属氢化物进行高低压切换时包括但不限于是温度正相关的循环做功系统。金属氢化物的高温点包括但不限于高于环境温度，金属氢化物的低温点包括但不限于低于氮气的液化温度或接近氢气的液化温度。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的金属氢化物做功系统的结构示意图；
图2为实施例1对应的金属氢化物的工作状态点图；
图3为本发明实施例2提供的金属氢化物做功系统的结构示意图；
图4为实施例2对应的金属氢化物的工作状态点图；
图5为本发明实施例3提供的金属氢化物做功系统的结构示意图；
图6为实施例3对应的金属氢化物的工作状态点图。
其中：1—B1金属储氢材料反应床、2—B2金属储氢材料反应床、3—氢气压缩机、10—高压氢气循环泵、13—液氮高压泵、14—空气换热器、15—氢气换热器、16—氮气膨胀机、17—发电机、18—氢气膨胀机、19—液氢高压泵、21—第一放氢出口、22—第一吸氢进口、23—第一换热出口、24—第一换热进口、25—第一液氮出口、26—第一氮气进口、21’—第二放氢出口、22’—第二吸氢进口、23’—第二换热出口、24’—第二换热进口、25’—第二液氮出口、26’—第二氮气进口、27—保护气入口、28—保护罩、29—可燃性气体报警器、30—阀门、31—温度调节器、32—第一液化进口、32’—第二液化进口。
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。
实施例1
本发明实施例提供了一种金属氢化物做功系统如图1所示，包括B1金属储氢材料反应床1、B2金属储氢材料反应床2、氢气压缩机3、高压氢气循环泵10、液氮高压泵13、空气换热器14、氢气换热器15、氮气膨胀机16和发电机17。
B1金属储氢材料反应床1上设置有第一放氢出口21、第一吸氢进口22、第一换热出口23、第一换热进口24、第一液氮出口25和第一氮气进口26。B2金属储氢材料反应床2上设置有第二放氢出口21’、第二吸氢进口22’、第二换热出口23’、第二换热进口24’、第二液氮出口25’和第二氮气进口26’。
B1金属储氢材料反应床1的第一液氮出口25以及B2金属储氢材料反应床2的第二液氮出口25’分别与液氮高压泵13的进口连接，液氮高压泵13的出口与空气换热器14的壳程入口连接，空气换热器14的壳程出口与氢气换热器15的壳程入口连接，氢气换热器15的壳程出口与氮气膨胀机16的入口连接，氮气膨胀机16的出口分别与B1金属储氢材料反应床1的第一氮气入口26以及B2金属储氢材料反应床2的第二氮气入口26’连接。
可以通过空气换热器14的管程进口和管程出口，向空气换热器14输入外部热能Q，从而利用外部热能Q对液氮进行升温，使其转换为气态。
B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2用于低温低压放氢吸热时对进入其中的氮气进行冷却液化。氢气换热器15用于吸收B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2高温高压吸氢时放出的热量，并利用B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2放出的热量对进入其中的氮气进行进一步的升温处理。
为了实现B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2的吸放氢的循环操作，在一具体实施方式中，可以将B1金属储氢材料反应床1的第一放氢出口21与氢气压缩机3的入口连接，将氢气压缩机3的出口与B2金属储氢材料反应床2的第二吸氢进口22’连接；同时，将B2金属储氢材料反应床2的第二放氢出口21’与氢气压缩机3的入口连接，将氢气压缩机3的出口与B1金属储氢材料反应床1的第一吸氢进口22连接。
在一具体实施方式中，氢气压缩机3、氮气膨胀机16和发电机17同轴连接，由氮气膨胀机16同时带动氢气压缩机3和发电机17运转。
在实际应用中，可以将B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2在吸氢放热过程中产生的热量传递至氢气换热器15，从而通过氢气换热器15将两个金属储氢材料反应床吸氢放热产生的热量加热做功氮气。
具体的，可以将B1金属储氢材料反应床1的第一换热出口23以及B2金属储氢材料反应床2的第二换热出口23’分别与高压氢气循环泵10的入口连接，将高压氢气循环泵10的出口与氢气换热器15的管程入口连接，将氢气换热器15的管程出口分别与B1金属储氢材料反应床1的第一换热进口24以及B2金属储氢材料反应床2的第二换热进口24’连接。
在实际应用中，可以利用B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2在放氢吸热过程中产生的冷量对做功氮气进行冷却和液化处理。具体的，可以在B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2内分别设有换热盘管，B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2通过设置在其内部的换热盘管对进入其中的氮气进行冷却液化。同时不排除采用直接换热方式利用B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2在放氢吸热过程中产生的冷量对做功氮气进行直接冷却和液化处理，在低温低压放氢吸热时也允许采用液氮作为换热介质将冷量带出，而不采用换热盘管，在高温高压吸氢放热时也允许氮气直接进入B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2将做功氮气进行直接加热，而不采用氢气换热器15间壁换热的形式。
在一具体实施方式中，B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2内装填的金属氢化物相同，装填量允许相同也允许不同，通过阀门切换实现两者交替进行吸/放氢操作。单个金属储氢材料反应床装填金属氢化物的量允许存在冗余，这样可以保证每次吸放氢速率满足快速高低压切换的需求，其冗余当量倍数根据工艺条件可以进行调整（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）。
具体的，B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2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，单个金属储氢材料反应床装填金属氢化物的量为56L，其吸放氢时间为200ms，冗余当量为25倍。
系统设有保护罩28，保护罩28设有可燃性气体报警器29、温度调节器31和保护气入口27，保护气入口27设有阀门，保护罩内填充的气体为氮气，也不排除采用氢气、氦气等其他气体。
B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2内装填的金属氢化物相同，两者交替进行吸/放氢操作。具体的工作流程为：
B1金属储氢材料反应床1的金属氢化物B在温度-240℃下吸收热量放出1.3MPa的氢气，放氢速率为0.304kg/s，-240℃、1.3MPa氢气经过氢气压缩机3压缩至20MPa、-213℃后送入B2金属储氢材料反应床2的吸氢进口，供B2金属储氢材料反应床2在20MPa、120℃下吸收氢气使用，吸氢速率为0.304kg/s，吸氢时放出120℃反应热一部分供给氢气换热器15使用；同时氮气膨胀机出口3.6kg/s的-189.8℃氮气进入B1金属储氢材料反应床1被全部冷凝成-196℃的液氮；-196℃的液氮由液氮高压泵13压缩至20MPa、-191.2℃，液氮高压泵13出口的20MPa、-191.2℃液氮依次与空气换热器14的空气、氢气换热器15的高压高温氢气换热后，升温气化至120℃，120℃、20MPa的氮气进入氮气膨胀机16膨胀做功，膨胀至0.1MPa、-189.8℃后送入B1金属储氢材料反应床1冷却液化；当B1金属储氢材料反应床1完成放氢并且B2金属储氢材料反应床2完成吸氢后，两者进行吸氢/放氢切换。切换后B2金属储氢材料反应床的工作流程，与上述B1金属储氢材料反应床工作流程类似。整个系统出功452kW。
如图2所示，本实施例金属氢化物为温度正相关的金属氢化物做功组合，即高温吸收高压氢气放出高温热量，低温放出低压氢气释放低温冷量，以上就是温度正相关的金属氢化物做功的定义。在120℃，20MPa时吸收氢气放出高温热量，利用换热氢气将以上热量传递给氢气换热器15用来做功氮气的升温。本实施例系统存在两个负压单元，一个是金属氢化物的负压，另一个是氮气液化的负压。低温下的氮气换热就是利用金属氢化物低温放出低压氢气时吸热，将金属氢化物产生的低温冷量用来冷却氮气进行液化。
至少有一种金属氢化物组成循环做功系统，包括金属氢化物在内的两个至三个的负压单元组成的循环做功系统，单一金属氢化物进行高低压切换时是温度正相关的循环做功系统。金属氢化物的高温点要高于环境温度，金属氢化物的低温点要低于氮气的液化温度。
本实施例利用氢气在金属氢化物之间的吸放氢循环产生冷量，利用其冷量将氮气进行液化，利用液氮相比气氮更易于压缩的特性，通过液氮高压泵加压液氮，进而将高压氮气的压力传递给氢气，实现氢气的高低压金属氢化物吸放氢循环，并使整个系统有净功输出。以上工作模式相比氢气液化加压过程，大大降低了对低温冷量的需求，从而使整个系统的净功输出大大提高。
实施例2
本发明实施例2提供了一种金属氢化物做功系统如图3所示，包括B1金属储氢材料反应床1、B2金属储氢材料反应床2、液氢高压泵19、高压氢气循环泵10、空气换热器14、氢气换热器15、氢气膨胀机18和发电机17。
B1金属储氢材料反应床1上设置有第一放氢出口21、第一吸氢进口22、第一换热出口23、第一换热进口24和第一液化进口32。B2金属储氢材料反应床2上设置有第二放氢出口21’、第二吸氢进口22’、第二换热出口23’、第二换热进口24’和第二液化进口32’。
B1金属储氢材料反应床1的第一放氢出口21和B2金属储氢材料反应床2的第二放氢出口21’分别与液氢高压泵19的入口连接，液氢高压泵19的出口与空气换热器14的壳程入口连接，空气换热器14的壳程出口与氢气换热器15的壳程入口连接，氢气换热器15的壳程出口与氢气膨胀机18的入口连接，氢气膨胀机18的一级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床1的第一吸氢进口22和B2金属储氢材料反应床2的第二吸氢进口22’连接，氢气膨胀机18的二级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床1的第一液化入口32以及B2金属储氢材料反应床2的第二液化入口32’连接。氢气膨胀机18和发电机17同轴连接。氢气膨胀机18可以用包括但不限于活塞式膨胀机所代替。
可以通过空气换热器14的管程进口和管程出口，向空气换热器14输入外部热能Q，从而利用外部热能Q对液氢进行升温，使其转换为气态。
B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2用于低温低压放氢吸热时对从液化入口进入的氢气进行冷却液化。氢气换热器15用于吸收B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2高温高压吸氢时放出的热量，并利用B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2放出的热量对进入其中的氢气进行进一步的升温处理。
在实际应用中，可以将B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2在吸氢放热过程中产生的热量传递至氢气换热器15，从而通过氢气换热器15将两个金属储氢材料反应床吸氢放热产生的热量加热做功氢气。
具体的，可以将B1金属储氢材料反应床1的第一换热出口23以及B2金属储氢材料反应床2的第二换热出口23’分别与高压氢气循环泵10的入口连接，将高压氢气循环泵10的出口与氢气换热器15的管程入口连接，将氢气换热器15的管程出口分别与B1金属储氢材料反应床1的第一换热进口24以及B2金属储氢材料反应床2的第二换热进口24’连接。
在实际应用中，可以利用B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2在放氢吸热过程中产生的冷量对从液化入口进入的氢气采用直接换热方式进行直接冷却和液化处理。
B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2内装填的金属氢化物相同，两者交替进行吸/放氢操作。具体的工作流程为：
B1金属储氢材料反应床1的金属氢化物B在温度-252℃下吸收热量放出1.2MPa的液氢，放氢速率为0.304kg/s，同时氢气膨胀机二级膨胀出口0.51kg/s的-156.5℃、1.2MPa氢气进入B1金属储氢材料反应床1被全部冷凝成-252℃的液氢；-252℃、1.2MPa液氢经过液氢高压泵19压缩至40MPa、-240.7℃，流量为0.814kg/s；液氢高压泵19出口的40MPa、-240.7℃液氢依次与空气换热器14的空气、氢气换热器15的高压高温氢气换热后，升温气化至72℃，72℃、40MPa的氢气进入氢气膨胀机18经过两级膨胀做功，一级膨胀至20MPa、10℃后，从一级膨胀出口抽出0.304kg/s的氢气送到B2金属储氢材料反应床2的第二吸氢进口22’，供B2金属储氢材料反应床2在20MPa、120℃下吸收氢气使用，吸氢速率为0.304kg/s，吸氢时放出120℃反应热一部分供给氢气换热器15使用；氢气膨胀机18中其余的0.51kg/s氢气经过二级膨胀至1.2MPa、-156.5℃后送入B1金属储氢材料反应床1冷却液化；当B1金属储氢材料反应床1完成放氢并且B2金属储氢材料反应床2完成吸氢后，两者进行吸氢/放氢切换。切换后B2金属储氢材料反应床2的工作流程，与上述B1金属储氢材料反应床1工作流程类似。整个系统出功921kW。
如图4所示，本实施例金属氢化物为温度正相关的金属氢化物做功组合，在120℃，20MPa时吸收氢气放出高温热量，在-252℃，1.2MPa时放出氢气提供低温冷量。
在一具体实施方式中，B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2内装填的金属氢化物相同，装填量允许相同也允许不同，通过阀门切换实现两者交替进行吸/放氢操作。单个金属储氢材料反应床装填金属氢化物的量允许存在冗余，这样可以保证每次吸放氢速率满足快速高低压切换的需求，其冗余当量倍数根据工艺条件可以进行调整（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）。
具体的，B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2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，单个金属储氢材料反应床装填金属氢化物的量为56L，其吸放氢时间为200ms，冗余当量为25倍。
本实施例其余与实施例1相同。
实施例3
本发明实施例3提供了一种金属氢化物做功系统，如图5所示，该系统包括B1金属储氢材料反应床1、B2金属储氢材料反应床2、液氢高压泵19、空气换热器14、氢气膨胀机18和发电机17。
B1金属储氢材料反应床1上设置有第一放氢出口21、第一吸氢进口22、第一换热出口23、第一换热进口24和第一液化进口32。B2金属储氢材料反应床2上设置有第二放氢出口21’、第二吸氢进口22’、第二换热出口23’、第二换热进口24’和第二液化进口32’。
B1金属储氢材料反应床1的第一放氢出口21和B2金属储氢材料反应床2的第二放氢出口21’分别与液氢高压泵19的入口连接，液氢高压泵19的出口与空气换热器14的壳程入口连接，空气换热器14的壳程出口分别与B1金属储氢材料反应床1的第一换热进口24和B2金属储氢材料反应床2的第二换热进口24’连接，B1金属储氢材料反应床1的第一换热出口23和B2金属储氢材料反应床2的第二换热进口23’分别与氢气膨胀机18的入口连接，氢气膨胀机18的一级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床1的第一吸氢进口22和B2金属储氢材料反应床2的第二吸氢进口22’连接，氢气膨胀机18的二级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床1的第一液化入口32以及B2金属储氢材料反应床2的第二液化入口32’连接。氢气膨胀机18和发电机17同轴连接。氢气膨胀机18可以用包括但不限于活塞式膨胀机所代替。
可以通过空气换热器14的管程进口和管程出口，向空气换热器14输入外部热能Q，从而利用外部热能Q对液氢进行升温，使其转换为气态。
B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2在低温低压放氢吸热时用于对从液化进口进入的氢气进行冷却液化。B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2在高温高压吸氢放热时用于对从换热进口进入其中的氢气进行进一步的升温处理。
在实际应用中，可以利用B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2在放氢吸热过程中产生的冷量对从液化进口进入的氢气采用直接换热方式进行直接冷却和液化处理；并可以利用B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2在吸氢放热过程中产生的热量对从换热进口进入的氢气采用直接换热方式进行直接加热处理。
B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2内装填的金属氢化物相同，两者交替进行吸/放氢操作。具体的工作流程为：
B1金属储氢材料反应床1的金属氢化物B在温度-252.5℃下吸收热量放出0.12MPa的液氢，放氢速率为0.064kg/s，同时氢气膨胀机二级膨胀出口0.108kg/s的-154.5℃、0.12MPa氢气进入B1金属储氢材料反应床1被全部冷凝成-252.5℃的液氢；-252.5℃、0.12MPa液氢经过液氢高压泵19压缩至4MPa、-250.73℃，流量为0.172kg/s；液氢高压泵19出口的4MPa、-250.73℃液氢先与空气换热器14的空气进行换热，升温气化至10℃，10℃、4MPa的氢气再从B2金属储氢材料反应床2的第二换热进口24’进入吸收B2金属储氢材料反应床2的吸氢反应热后进一步升温至76.2℃，76.2℃、4MPa的氢气从B2金属储氢材料反应床2的第二换热出口23’送到氢气膨胀机18经过两级膨胀做功，一级膨胀至20MPa、13℃后，从一级膨胀出口抽出0.064kg/s的氢气送到B2金属储氢材料反应床2的吸氢进口，供B2金属储氢材料反应床2在20MPa、120℃下吸收氢气使用，吸氢速率为0.064kg/s；氢气膨胀机18中其余的0.108kg/s氢气经过二级膨胀至0.12MPa、-154.5℃后送入B1金属储氢材料反应床1的第一液化进口32进行冷却液化；当B1金属储氢材料反应床1完成放氢并且B2金属储氢材料反应床2完成吸氢后，两者进行吸氢/放氢切换。切换后B2金属储氢材料反应床的工作流程，与上述B1金属储氢材料反应床工作流程类似。整个系统出功275kW。
如图6所示，本实施例金属氢化物为温度正相关的金属氢化物做功组合，在120℃，2MPa时吸收氢气放出高温热量，在-252.5℃，0.12MPa时放出氢气提供低温冷量。
在一具体实施方式中，B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2内装填的金属氢化物相同，装填量允许相同也允许不同，通过阀门切换实现两者交替进行吸/放氢操作。单个金属储氢材料反应床装填金属氢化物的量允许存在冗余，这样可以保证每次吸放氢速率满足快速高低压切换的需求，其冗余当量倍数根据工艺条件可以进行调整（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）。
具体的，B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2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，单个金属储氢材料反应床装填金属氢化物的量为12L，其吸放氢时间为200ms，即每200ms切换一次，从高压高温吸氢操作转换为低压低温放氢操作，或从低压低温放氢操作转换为高温高压吸氢操作，冗余当量为25倍。
B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2只让来自氢气膨胀机18的一级膨胀出口的低压氢气进入金属储氢材料反应床进行吸氢操作，来自空气换热器14出口的高温高压氢气只作为换热氢气，由于金属储氢材料反应床内温度高于金属氢化物的吸氢温度时，高压氢气才会进入金属储氢材料反应床与金属氢化物接触，因此高温高压氢气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。
本实施例其余与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种金属氢化物做功系统，其特征是：所述系统包括B1金属储氢材料反应床（1）、B2金属储氢材料反应床（2）、氢气压缩机（3）、高压氢气循环泵（10）、液氮高压泵（13）、空气换热器（14）、氢气换热器（15）和氮气膨胀机（16）；
所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一液氮出口（25）以及所述B2金属储氢材料反应床（2）的第二液氮出口（25’）分别与所述液氮高压泵（13）的进口连接，所述液氮高压泵（13）的出口与所述空气换热器（14）的壳程入口连接，所述空气换热器（14）的壳程出口与所述氢气换热器（15）的壳程入口连接，所述氢气换热器（15）的壳程出口与所述氮气膨胀机（16）的入口连接，所述氮气膨胀机（16）的出口分别与所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一氮气入口（26）以及所述B2金属储氢材料反应床（2）的第二氮气入口（26’）连接；
所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一放氢出口（21）与所述氢气压缩机（3）的入口连接，所述氢气压缩机（3）的出口与所述B2金属储氢材料反应床（2）的第二吸氢进口（22’）连接；
所述B2金属储氢材料反应床（2）的第二放氢出口（21’）与所述氢气压缩机（3）的入口连接，所述氢气压缩机（3）的出口与所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一吸氢进口（22）连接；
所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一换热出口（23）以及所述B2金属储氢材料反应床（2）的第二换热出口（23’）分别与所述高压氢气循环泵（10）的入口连接，所述高压氢气循环泵（10）的出口与所述氢气换热器（15）的管程入口连接，所述氢气换热器（15）的管程出口分别与所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一换热进口（24）以及所述B2金属储氢材料反应床（2）的第二换热进口（24’）连接。
2.根据权利要求1所述的金属氢化物做功系统，其特征是：所述系统还包括发电机（17）；所述氢气压缩机（3）、氮气膨胀机（16）与发电机（17）同轴连接，所述发电机（17）电路连接到外部电网和/或蓄电池；所述氮气膨胀机（16）包括但不限于叶轮旋转式和活塞式。
3.根据权利要求1所述的金属氢化物做功系统，其特征是：所述B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）内分别设有换热盘管，所述B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）通过设置在其内部的换热盘管对进入其中的氮气进行冷却液化；
或者，所述B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）采用直接换热方式对进入其中的氮气进行冷却液化。
4.根据权利要求1所述的金属氢化物做功系统，其特征是：所述B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）内装填的金属氢化物相同，装填量允许相同也允许不同，通过阀门切换实现两者交替进行吸/放氢操作，其切换频率可以根据工艺条件进行调整；单个金属储氢材料反应床装填金属氢化物的量允许存在冗余，这样可以保证每次吸放氢速率满足快速高低压切换的需求，其冗余当量倍数根据工艺条件可以进行调整；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。
5.根据权利要求1所述的金属氢化物做功系统，其特征是：所述系统设有保护罩（28），所述保护罩（28）设有可燃性气体报警器（29）、温度调节器（31）和保护气入口（27），保护气入口设有阀门，保护罩内填充的气体包括但不限于氢气、氮气、氦气。
6.根据权利要求1所述的金属氢化物做功系统，其特征是：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；
温度正相关的金属氢化物做功的定义为高温吸收高压氢气放出高温热量，低温放出低压氢气释放低温冷量；在高温时吸收氢气放出高温热量，利用换热氢气将以上热量传递给氢气换热器（15）用来做功氮气的升温；换热氢气不参与膨胀机的做功；系统至少存在两个负压单元，一个是金属氢化物的负压，另一个是氮气液化的负压；低温下的氮气换热就是利用金属氢化物低温放出低压氢气时吸热，将金属氢化物产生的低温冷量用来冷却氮气进行液化；系统设备和管道设有外保温、内保温、内外保温；
至少有一种金属氢化物组成循环做功系统，包括金属氢化物在内的至少两个负压单元组成的循环做功系统，至少一种金属氢化物进行高低压切换时包括但不限于是温度正相关的循环做功系统；金属氢化物的高温点包括但不限于高于环境温度的任一温度，金属氢化物的低温点包括但不限于低于氮气的液化温度或包括但不限于在氢气液化温度附近；金属氢化物包括但不限于钛系金属氢化物。
7.一种金属氢化物做功系统，其特征是：所述系统包括B1金属储氢材料反应床（1）、B2金属储氢材料反应床（2）、液氢高压泵（19）、高压氢气循环泵（10）、空气换热器（14）、氢气换热器（15）、氢气膨胀机（18）和发电机（17），所述氢气膨胀机（18）可以被包括但不限于叶轮旋转式和活塞式的动力机械所代替；
所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一放氢出口（21）和B2金属储氢材料反应床（2）的第一放氢出口（21’）分别与液氢高压泵（19）的入口连接，液氢高压泵（19）的出口与空气换热器（14）的壳程入口连接，空气换热器（14）的壳程出口与氢气换热器（15）的壳程入口连接，氢气换热器（15）的壳程出口与氢气膨胀机（18）的入口连接，氢气膨胀机（18）的一级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床（1）的第一吸氢进口（22）和B2金属储氢材料反应床（2）的第二吸氢进口（22’）连接，氢气膨胀机（18）的二级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床（1）的第一液化入口（32）以及B2金属储氢材料反应床（2）的第二液化入口（32’）连接；氢气膨胀机（18）和发电机（17）同轴连接；
B1金属储氢材料反应床（1）的第一换热出口（23）以及B2金属储氢材料反应床（2）的第二换热出口（23’）分别与高压氢气循环泵（10）的入口连接，高压氢气循环泵（10）的出口与氢气换热器（15）的管程入口连接，氢气换热器（15）的管程出口分别与B1金属储氢材料反应床（1）的第一换热进口（24）以及B2金属储氢材料反应床（2）的第二换热进口（24’）连接。
8.根据权利要求7所述的金属氢化物做功系统，其特征是：所述系统设有保护罩（28），所述保护罩（28）设有可燃性气体报警器（29）、温度调节器（31）和保护气入口（27），保护气入口设有阀门，保护罩内填充的气体包括但不限于氢气、氮气、氦气。
9.一种金属氢化物做功系统，其特征是：所述系统包括B1金属储氢材料反应床（1）、B2金属储氢材料反应床（2）、液氢高压泵（19）、空气换热器（14）、氢气膨胀机（18）和发电机（17），所述氢气膨胀机（18）包括但不限于叶轮旋转式和活塞式；
所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一放氢出口（21）和B2金属储氢材料反应床（2）的第二放氢出口（21’）分别与液氢高压泵（19）的入口连接，所述液氢高压泵（19）的出口与所述空气换热器（14）的壳程入口连接，所述空气换热器（14）的壳程出口分别与B1金属储氢材料反应床（1）的第一换热进口（24）和B2金属储氢材料反应床（2）的第二换热进口（24’）连接；
所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一换热出口（23）和B2金属储氢材料反应床（2）的第二换热出口（23’）分别与所述氢气膨胀机（18）的入口连接，所述氢气膨胀机（18）的一级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床（1）的第一吸氢进口（22）和B2金属储氢材料反应床（2）的第二吸氢进口（22’）连接，所述氢气膨胀机（18）的二级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床（1）的第一液化入口（32）以及B2金属储氢材料反应床（2）的第二液化入口（32’）连接；所述氢气膨胀机（18）和发电机（17）同轴连接。
10.根据权利要求9所述的金属氢化物做功系统，其特征是：所述系统设有保护罩（28），所述保护罩（28）设有可燃性气体报警器（29）、温度调节器（31）和保护气入口（27），保护气入口设有阀门，保护罩内填充的气体包括但不限于氢气、氮气、氦气；
B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）只让来自氢气膨胀机（18）的一级膨胀出口的低压氢气进入金属储氢材料反应床进行吸氢操作，来自空气换热器（14）出口的高压氢气只作为换热氢气，由于金属储氢材料反应床内温度高于金属氢化物的吸氢温度时，高压氢气才会进入金属储氢材料反应床与金属氢化物接触，因此高压氢气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；
所述B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）仅允许氢气等气体、液体或其他介质进出，不允许金属储氢材料进出，即不允许金属储氢材料泄露，B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）内所装填的金属储氢材料可以被包括但不限于金属、有机溶剂、活性炭、碳纳米管等代替。
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CN112228157A (zh) * 2020-09-18 2021-01-15 上海柯来浦能源科技有限公司 氮气工质的金属储氢材料供能系统

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