CN111197507A - 金属氢化物氢能做功系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属氢化物氢能做功系统，包括保护罩以及设置在保护罩内的B1金属储氢材料反应床、B2金属储氢材料反应床、换热器、水冷却器、氢气膨胀机和液氢高压泵。B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床通过水冷却器的壳程与氢气膨胀机连接，再经和换热器的管程返回B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床。本发明利用金属氢化物的吸氢/放氢特性，驱动膨胀机做功。

Description

金属氢化物氢能做功系统

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氢能做功系统。

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氢能做功系统，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。

本申请实施例提供了一种金属氢化物氢能做功系统，包括保护罩，以及设置在所述保护罩内的B1金属储氢材料反应床、B2金属储氢材料反应床、换热器、水冷却器、氢气膨胀机和液氢高压泵。

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所述液氢高压泵的入口连接，所述液氢高压泵的出口与所述换热器的壳程入口连接，所述换热器的壳程出口分别与所述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水冷却器的壳程入口连接，所述水冷却器的壳程出口与所述氢气膨胀机的入口连接，所述氢气膨胀机的出口与所述换热器的管程入口连接，所述换热器的管程出口与所述B1金属储氢材料反应床的第一液化进口和B2金属储氢材料反应床的第二液化进口连接。

所述水冷却器内设置有氮气换热盘管和水换热盘管，所述氮气换热盘管的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩内，所述水换热盘管的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩外。

所述B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床均设有内循环旁路，内循环旁路上设有氢气内循环泵，在金属储氢材料反应床进行吸氢和放氢操作时，实现了氢介质在B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床内部的循环往复，从而稳定操作工况。

进一步的，所述水冷却器内仅设置有水换热盘管，所述水换热盘管的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩外；所述氢气内循环泵的进口通过三通阀与保护罩内氢气进口连接，所述氢气内循环泵的出口通过三通阀与保护罩内氢气出口；所述氢气膨胀机设置在所述保护罩外。

进一步的，所述水冷却器内仅设置有水换热盘管，所述水换热盘管的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩外；所述氢气内循环泵与氦气换热器串联后设置在所述B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床的内循环旁路上；所述氦气换热器中氦气换热盘管的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩内；所述氢气膨胀机设置在所述保护罩外；所述保护罩上还设置有制冷机。

进一步的，所述系统还包括发电机；所述氢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；所述氢气膨胀机包括但不限于叶轮旋转式和活塞式的做功机械。

进一步的，所述保护罩设有可燃性气体报警器和保护气入口，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、氦气、氦气。

进一步的，所述系统还包括金属储氢材料更换装置，所述金属储氢材料更换装置用于取出和填装B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床内的金属储氢材料。

所述金属储氢材料更换装置包括分离罐、回收罐、余氢吸收单元、真空罐、保护气压缩机、高压保护气罐、原料罐、供料器、抽出计量仪、添加计量仪和加注枪；所述加注枪设有密封圈和锁紧法兰，所述B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床的添加抽出口设有带密码锁的截止阀，加注枪通过锁紧法兰与B1金属储氢材料反应床或B2金属储氢材料反应床的添加抽出口密封连接；所述加注枪设进料-出料口，进料-出料口通过添加-抽料共用管路和抽出管路连接到分离罐，所述分离罐的固体出口通过抽出计量仪连接到回收罐，所述分离罐的气体出口通过余氢吸收单元连接到真空罐，所述真空罐通过单向阀和保护气压缩机连接到高压保护气罐，所述高压保护气罐出口分为两路，一路连接到供料器，一路通过保护气管路连接到加注枪的保护气入口，原料罐通过供料器、添加计量仪、添加管路和添加-抽料共用管路连接到加注枪的进料-出料口；使用金属储氢材料更换装置抽出金属储氢材料的目的包括但不限于更换金属储氢材料以恢复其吸放氢性能，或对金属储氢材料进行升温以增加吸放氢的动力学性能。

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的换热都采用氢气直接进入金属储氢材料反应床进行换热的模式；当在B2金属储氢材料反应床工作点β2吸氢放热时，进入B2金属储氢材料反应床的氢气一部分被吸入B2金属储氢材料反应床内的金属氢化物，剩余部分的氢气温度提高并携带热量流出B2金属储氢材料反应床进入水冷却器，金属氢化物严格限制在B2金属储氢材料反应床内的格栅里，不允许任何金属氢化物颗粒溢出到格栅之外，格栅只允许氢气或者液氢进出；对于B1金属储氢材料反应床的工作点β1来讲是放氢吸热过程，只允许氢气携带热量进出B1金属储氢材料反应床，金属氢化物严格限制在B1金属储氢材料反应床内的格栅里，只允许液氢和少量的气态氢气流出B1金属储氢材料反应床；如果进行切换后，B1金属储氢材料反应床的工作点变为β2，B2金属储氢材料反应床的工作点变为β1，如此循环往复。

B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床在低温低压放氢吸热时用于对从氢气进口进入的氢气进行冷却液化和金属储氢材料放出的氢气进行冷却液化；B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床在高温高压吸氢放热时用于对从换热进口进入其中的一部分氢气进行进一步的升温处理，另一部分进行吸氢进入金属储氢材料。

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；B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床中存储的金属氢化物可以是任意粒径的任意组合，同时，金属氢化物可以是实心或空心的。

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。

包括但不限于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，利用金属储氢材料反应床直接换热使做功氢气升温；系统至少存在一个负压单元，或是金属氢化物的负压，或是氢气液化的负压，或是以上负压的组合；低温下的做功氢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做功氢气进行液化；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一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β2包括但不限于低于环境温度的任一温度，金属氢化物的低温点β1包括但不限于低于氢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。

允许在每个循环内或循环间隔对金属氢化物的至少一个状态点进行短暂加热，以恢复金属氢化物的动力学性能，从而加快金属氢化物的吸放氢速度。金属储氢材料的吸/放氢状态点和工作点参数可根据工艺需要进行任意调节。系统也允许去掉保护罩，输入系统的热能均来自水冷却器。

金属储氢材料反应床也可设置三台或更多，并以“两吸一放”或“两放一吸”等任意组合的切换方式进行操作，以适应吸/放氢反应速率不一致的工况；所述两吸一放指两台反应床进行吸氢操作的同时另一台反应床进行放氢操作，所述两放一吸指两台反应床进行放氢操作的同时另一台反应床进行吸氢操作。

所述金属氢化物氢能做功系统安装在汽车、轮船等交通工具、手机等通信设备或其他设备上，可以利用自然物质所携带的能量，通过工质循环做功，将柯来浦氢能转变为机械能或电能从而驱动以上设备运行，实现绿色能源；柯来浦氢能定义为包括但不限于自然界的能量和所述金属氢化物氢能做功系统相结合而产生的能量。

在吸放氢切换时，装有B1金属储氢材料反应床的1#储氢罐和装有B2金属储氢材料反应床的2#储氢罐保持不动，交换1#储氢罐和2#储氢罐中的金属储氢材料反应床；切换时，1#储氢罐和2#储氢罐的温度不变，仅仅改变B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床的温度；交换1#储氢罐和2#储氢罐中金属储氢材料反应床的过程，可以是缓慢进行的，也可以是瞬间进行的，交换速度不限；采用包括但不限于气流输送或机械输送的方式交换1#储氢罐和2#储氢罐中的金属储氢材料反应床。

本发明公开的金属氢化物氢能做功系统，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，冷却或加热做功氢气，通过氢气膨胀机做功，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。

本发明公开的金属氢化物氢能做功系统，同时吸收保护罩内填充的气体的热量，以及保护罩外环境的热量。

此外，本发明公开的金属氢化物氢能做功系统，通过在金属储氢材料反应床上设置内循环旁路，并在内循环旁路上设置氢气内循环泵，在金属储氢材料反应床进行吸氢和放氢操作时，实现了氢介质在床层内部的循环往复，从而稳定操作工况。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的金属氢化物氢能做功系统的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的金属氢化物氢能做功系统的结构示意图；

图3为本发明实施例3提供的金属氢化物氢能做功系统的结构示意图；

图4为金属氢化物的工作状态点图；

图5为金属储氢材料更换装置的结构示意图。

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—氦气换热器、4—氮气换热盘管、5—水换热盘管、6—金属储氢材料更换装置、7—氢气内循环泵、8—氦气换热盘管、9—保护罩内氢气进口、10—保护罩内氢气出口、11—制冷机、14—水冷却器、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、21’—第二放氢出口、22’—第二吸氢进口、23’—第二换热出口、27—保护气入口、28—保护罩、29—可燃性气体报警器、30—阀门、32—第一液化进口、32’—第二液化进口、33—换热器、39—单向阀、111—加注枪、114—分离罐、115—回收罐、116—余氢吸收单元、117—真空罐、119—保护气压缩机、120—高压保护气罐、121—保护气管路、122—抽出管路、123—原料罐、124—供料器、125—添加抽料共用管路、126—抽出计量仪、127—添加计量仪、128—添加管路。

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氢能做功系统，如图1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、水冷却器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、第一换热出口23、第一液化进口32和第一吸氢进口22。B2金属储氢材料反应床2上设置有第二放氢出口21’、第二换热出口23’、第二液化进口32’和第二吸氢进口22’。

B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2均设有内循环旁路，内循环旁路上设有氢气内循环泵7，在金属储氢材料反应床进行吸氢和放氢操作时，用于氢介质在床层内部的循环往复以稳定操作工况。另外为了稳定压力，也可以考虑在液氢高压泵19和水冷却器14之前的氢气主管道上设置氢气中间储罐。

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的出口连接换热器33的壳程入口，换热器33的壳程出口分别与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。

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’与水冷却器14壳程入口连接，水冷却器14的壳程出口与氢气膨胀机18的入口连接，氢气膨胀机18的出口与换热器33的管程入口连接，换热器33的管程出口与B1金属储氢材料反应床1的第一液化进口32和B2金属储氢材料反应床2的第二液化进口32’连接。氢气膨胀机18与发电机17同轴连接，发电机17电路连接到外部电网和/或蓄电池；氢气膨胀机18可以用包括但不限于活塞式膨胀机所代替。

B1金属储氢材料反应床1或B2金属储氢材料反应床2通过添加抽出口分别与金属储氢材料更换装置6连接，通过金属储氢材料更换装置6可进行床层内金属储氢材料的取出和填装。反应床内金属储氢材料的更换频率可按工况实际需要任意设定。如图5所示，金属储氢材料更换装置6将反应床内使用过的金属储氢材料安全快捷的输送出来，并同样安全快捷地将颗粒状或粉状金属储氢材料注入反应床中，同时准确快速的进行计量。金属储氢材料更换装置6采用机械输送、气体输送或液体输送更换形式，能够实现计量准确、安全输送金属储氢材料进入反应床的目的。金属储氢材料更换装置6包括分离罐114、回收罐115、余氢吸收单元116、真空罐117、保护气压缩机119、高压保护气罐120、原料罐123、供料器124、抽出计量仪126、添加计量仪127和加注枪111。加注枪设有密封圈和锁紧法兰，B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2的添加抽出口设有带密码锁的截止阀，加注枪111通过锁紧法兰与B1金属储氢材料反应床1或B2金属储氢材料反应床2的添加抽出口密封连接。加注枪111设进料-出料口，进料-出料口通过添加-抽料共用管路125和抽出管路122连接到分离罐114，分离罐114的固体出口通过抽出计量仪126连接到回收罐115，分离罐114的气体出口通过余氢吸收单元116连接到真空罐117，真空罐117通过单向阀39和保护气压缩机119连接到高压保护气罐120。高压保护气罐120出口分为两路，一路连接到供料器124，一路通过保护气管路121连接到加注枪111的保护气入口。原料罐123通过供料器124、添加计量仪127、添加管路128和添加-抽料共用管路125连接到加注枪111的进料-出料口。使用金属储氢材料更换装置6抽出金属储氢材料的目的包括但不限于更换金属储氢材料以恢复其吸放氢性能，或对金属储氢材料进行升温以增加吸放氢的动力学性能。

可以通过水冷却器14上部的氮气换热盘管4与保护罩28的内部氮气环境连接，向水冷却器14输入保护罩28内的设备散热Q1，保证保护罩28内的环境恒定在-180℃；通过水冷却器14下部的水换热盘管5，向水冷却器14输入外部热能Q2，从而利用外部热能Q2对氢气进行升温使其增强做功能力，外部热能Q2可以是环境温度下水的热能，也可以是包括但不限于空气热能的其他能量，水冷却器14在利用外部热能的同时向外界提供冷量。也允许去掉保护罩28，输入系统的热能均来自水冷却器14。进入水冷却器14的20℃常温水被冷却到5℃左右输出，夏季作为建筑物空调制冷的冷源。

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氢气进口进入的氢气进行冷却液化，并对金属储氢材料放出的氢气进行冷却液化，金属储氢材料放出的氢气和进入反应床被冷却的氢气在排出反应床时既可以是液体也可以是气体然后到反应床外部冷却液化。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一部分氢气进行进一步的升温处理，另一部分氢气通过吸氢过程吸入金属储氢材料。

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。

在实际应用中，金属储氢材料反应床也可设置三台或更多，并以“两吸一放”（两台反应床进行吸氢操作的同时另一台反应床进行放氢操作）或“两放一吸”等任意组合的切换方式进行操作，以适应吸/放氢反应速率不一致的工况。

B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2内装填的金属储氢材料相同，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的金属储氢材料B在温度-252.5℃下吸收热量放出0.12MPa的液氢，放氢速率为0.0028kg/s，同时氢气膨胀机出口0.036kg/s经换热后的-242℃、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2.6MPa、-251.3℃，流量为0.0388kg/s；液氢高压泵19出口的2.6MPa、-251.3℃液氢先与换热器33管程中的氢气进行换热，升温气化至-231.9℃，-231.9℃、2.6MPa的氢气再从B2金属储氢材料反应床2的第二吸氢进口22’进入，其中0.0028kg/s的氢气被B2金属储氢材料反应床2吸收，剩余0.036kg/s的氢气吸收B2金属储氢材料反应床2的吸氢反应热后进一步升温至-195℃，-195℃、2.6MPa、0.036kg/s的氢气从B2金属储氢材料反应床2的第二换热出口23’送到水冷却器14先后与保护罩28内的氮气以及大气环境水换热升温至-149.5℃，升温后的氢气进入氢气膨胀机18膨胀做功，氢气膨胀机18的出口0.12MPa，-200.63℃的氢气经过换热器33降温到-242℃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15kW。

如图4所示，本实施例金属储氢材料为温度正相关的金属储氢材料做功组合，其吸氢状态点为-195℃，1.0MPa，吸收氢气时放出热量，其放氢状态点为-252.5℃，0.3MPa，放出氢气时提供低温冷量。为提高金属储氢材料反应床的吸放氢速率，实际工作中，吸氢时反应床内工作压力为2.6MPa，放氢时反应床内工作压力为0.12MPa。图4中的虚线为金属氢化物状态曲线，图4中的实线为金属氢化物工作曲线。金属储氢材料的吸/放氢状态点和工作点参数可根据工艺需要进行任意调节。

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内装填的金属储氢材料相同，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储氢材料的量允许存在冗余，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。B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2的总吸放氢量为2.8g/s，需要的金属储氢材料280g/s。按照一倍金属储氢材料吸放氢时间10s、金属储氢材料冗余1.6倍核算，吸放氢切换周期为10s，需要的金属储氢材料为4.5kg、体积1.67L；新添加的金属储氢材料饱和度为20%，吸氢结束时饱和度为82.5%，放氢结束后饱和度恢复到20%。

允许在每个循环内或循环间隔对金属储氢材料的至少一个状态点进行短暂加热，以恢复金属储氢材料的动力学性能，从而加快金属储氢材料的吸放氢速度。

金属储氢材料反应床内的换热都采用氢气直接进入金属储氢材料反应床进行换热的模式。当在B2金属储氢材料反应床2工作点β2吸氢放热时，进入B2金属储氢材料反应床2的低于B2金属储氢材料反应床2工作点β2温度的氢气一部分被吸入B2金属储氢材料反应床2内的金属储氢材料，剩余部分的氢气温度提高并携带热量流出B2金属储氢材料反应床2进入水冷却器14，金属储氢材料严格限制在B2金属储氢材料反应床2内的格栅里，不允许任何金属储氢材料颗粒溢出到格栅之外。与此同时B1金属储氢材料反应床1处于工作点β1进行放氢吸热过程，只允许氢气携带热量进出B1金属储氢材料反应床1，金属储氢材料严格限制在B1金属储氢材料反应床1内的格栅里，只允许液氢和少量的气态氢气流出B1金属储氢材料反应床1。金属储氢材料反应床内的换热也可被包括但不限于间接换热等其他换热方式所替代。

B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2中存储的金属储氢材料可以是任意粒径的任意组合，同时，金属储氢材料可以是实心或空心的。

保护罩28内可以填充为包括但不限于氮气、氦气、氢气等的其他气体或以上的混合气体。

实施例2：

本发明实施例提供了另一种金属氢化物氢能做功系统，如图2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、水冷却器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、第一换热出口23、第一液化进口32和第一吸氢进口22。B2金属储氢材料反应床2上设置有第二放氢出口21’、第二换热出口23’、第二液化进口32’和第二吸氢进口22’。

本实施例的工艺过程和设备管道连接关系与实施例1基本相同，不同的是将氢气膨胀机18和发电机17移到了保护罩28的外边，目的是减少膨胀机18和发电机17向保护罩28内散热。本实施例保护罩28内的保护气氢气的温度保持在-252.5℃，液氢泵及保护罩内所有的设备和管道的散热都进入保护罩28内的氢气系统。B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2中，放氢吸热的反应热通过氢气内循环泵7吸收保护罩内氢气的热量，使保护罩28内氢气的温度保持在-252.5℃。

B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2均设有内循环旁路，内循环旁路上设有氢气内循环泵7和保护罩内氢气进口9及保护罩内氢气出口10，氢气内循环泵7在金属储氢材料反应床进行吸氢和放氢操作时，用于氢气在床层内部循环以稳定操作工况。此外，氢气内循环泵7在金属储氢材料反应床进行放氢操作时，还用于氢气在金属储氢材料反应床层和保护罩28内的循环，经三通阀切换使金属储氢材料反应床层与保护罩28连通，金属储氢材料反应床层通过保护罩内氢气进口9和保护罩内氢气出口10，与保护罩28内的氢气直接换热，吸收保护罩28内所有设备和管道的散热，以稳定保护罩28内的温度在-252.5℃。根据工艺操作需要保护罩28内氢气的温度，可以恒温在-180℃到-252.5℃之间的任意温度。

B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2内装填的金属储氢材料相同，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的金属储氢材料B在温度-252.5℃下吸收热量放出0.12MPa的液氢，放氢速率为0.0035kg/s，同时氢气膨胀机出口0.036kg/s经换热后的-242℃、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2.6MPa、-251.3℃，流量为0.0395kg/s；液氢高压泵19出口的2.6MPa、-251.3℃液氢先与换热器33管程中的氢气进行换热，升温气化至-232.08℃，-232.08℃、2.6MPa的氢气再从B2金属储氢材料反应床2的第二吸氢进口22’进入，其中0.0035kg/s的氢气被B2金属储氢材料反应床2吸收，剩余0.036kg/s的氢气吸收B2金属储氢材料反应床2的吸氢反应热后进一步升温至-195℃，-195℃、2.6MPa、0.036kg/s的氢气从B2金属储氢材料反应床2的第二换热出口23’送到水冷却器14与大气环境水换热升温至-149.5℃，升温后的氢气进入氢气膨胀机18膨胀做功，氢气膨胀机18的出口0.12MPa，-200.63℃的氢气经过换热器33降温到-242℃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15kW。

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。B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2的总吸放氢量为3.5g/s，需要的金属储氢材料350g/s。按照一倍金属储氢材料吸放氢时间10s、金属储氢材料冗余1.3倍核算，吸放氢切换周期为10s，需要的金属储氢材料为4.5kg、体积1.67L；新添加的金属储氢材料饱和度为15%，吸氢结束时饱和度为92%，放氢结束后饱和度恢复到15%。

实施例3：

本发明实施例提供了再一种金属氢化物氢能做功系统，如图3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、氦气冷却器3、液氢高压泵19、水冷却器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、第一换热出口23、第一液化进口32和第一吸氢进口22。B2金属储氢材料反应床2上设置有第二放氢出口21’、第二换热出口23’、第二液化进口32’和第二吸氢进口22’。

本实施例的工艺过程和设备管道连接关系与实施例2基本相同，不同的是本实施例保护罩28内的保护气为氦气，氦气的温度保持在-255℃，液氢高压泵19及保护罩28内所有的设备和管道的散热都进入保护罩28内的氦气系统。B1金属储氢材料反应床1和B2金属储氢材料反应床2均设有内循环旁路，内循环旁路上设有氢气内循环泵7、氦气换热器3和氦气换热盘管4，氢气内循环泵7在金属储氢材料反应床进行放氢操作时，用于氦气间接换热吸收保护罩28内所有设备和管道的散热，以稳定保护罩内的温度在-252.5℃。

通过制冷机11制冷，使保护罩内的氦气温度由-252.5℃降到-255℃。

实施例3的其它参数与实施例2相同。

需要说明的是，本申请实施例并不对保护罩28内填充的氢气、氦气或氮气等保护气的温度进行限制，保护罩28内保护气的温度可以是低于室温的任意温度，例如-20℃。

Claims (9)

1.一种金属氢化物氢能做功系统，其特征是：所述系统包括保护罩（28），以及设置在所述保护罩（28）内的B1金属储氢材料反应床（1）、B2金属储氢材料反应床（2）、换热器（33）、水冷却器（14）、氢气膨胀机（18）和液氢高压泵（19）；

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’）分别与所述液氢高压泵（19）的入口连接，所述液氢高压泵（19）的出口与所述换热器（33）的壳程入口连接，所述换热器（33）的壳程出口分别与所述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’）分别与所述水冷却器（14）的壳程入口连接，所述水冷却器（14）的壳程出口与所述氢气膨胀机（18）的入口连接，所述氢气膨胀机（18）的出口与所述换热器（33）的管程入口连接，所述换热器（33）的管程出口与所述B1金属储氢材料反应床（1）的第一液化进口（32）和B2金属储氢材料反应床（2）的第二液化进口（32’）连接；

所述水冷却器（14）内设置有氮气换热盘管（4）和水换热盘管（5），所述氮气换热盘管（4）的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩（28）内，所述水换热盘管（5）的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩（28）外；

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）均设有内循环旁路，内循环旁路上设有氢气内循环泵（7），在金属储氢材料反应床进行吸氢和放氢操作时，实现了氢介质在B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）内部的循环往复，从而稳定操作工况。

2.根据权利要求1所述的金属氢化物氢能做功系统，其特征是：所述水冷却器（14）内仅设置有水换热盘管（5），所述水换热盘管（5）的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩（28）外；所述氢气内循环泵（7）的进口通过三通阀与保护罩内氢气进口（9）连接，所述氢气内循环泵（7）的出口通过三通阀与保护罩内氢气出口（10）；所述氢气膨胀机（18）设置在所述保护罩（28）外。

3.根据权利要求1所述的金属氢化物氢能做功系统，其特征是：所述水冷却器（14）内仅设置有水换热盘管（5），所述水换热盘管（5）的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩（28）外；所述氢气内循环泵（7）与氦气换热器（3）串联后设置在所述B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）的内循环旁路上；所述氦气换热器（3）中氦气换热盘管（8）的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩（28）内；所述氢气膨胀机（18）设置在所述保护罩（28）外；所述保护罩（28）上还设置有制冷机（11）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的金属氢化物氢能做功系统，其特征是：所述系统还包括发电机（17）；所述氢气膨胀机（18）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；所述氢气膨胀机（18）包括但不限于叶轮旋转式和活塞式的做功机械。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的金属氢化物氢能做功系统，其特征是：所述保护罩（28）设有可燃性气体报警器（29）和保护气入口（27），保护气入口（27）设有阀门，保护罩（28）内填充的气体包括但不限于氢气、氦气、氦气。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的金属氢化物氢能做功系统，其特征是：所述系统还包括金属储氢材料更换装置（6），所述金属储氢材料更换装置（6）用于取出和填装B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）内的金属储氢材料；

所述金属储氢材料更换装置（6）包括分离罐（114）、回收罐（115）、余氢吸收单元（116）、真空罐（117）、保护气压缩机（119）、高压保护气罐（120）、原料罐（123）、供料器（124）、抽出计量仪（126）、添加计量仪（127）和加注枪（111）；所述加注枪（111）设有密封圈和锁紧法兰，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）的添加抽出口设有带密码锁的截止阀，加注枪（111）通过锁紧法兰与B1金属储氢材料反应床（1）或B2金属储氢材料反应床（2）的添加抽出口密封连接；所述加注枪（111）设进料-出料口，进料-出料口通过添加-抽料共用管路（125）和抽出管路（122）连接到分离罐（114），所述分离罐（114）的固体出口通过抽出计量仪（126）连接到回收罐（115），所述分离罐（114）的气体出口通过余氢吸收单元（116）连接到真空罐（117），所述真空罐（117）通过单向阀（39）和保护气压缩机（119）连接到高压保护气罐（120），所述高压保护气罐（120）出口分为两路，一路连接到供料器（124），一路通过保护气管路（121）连接到加注枪（111）的保护气入口，原料罐（123）通过供料器（124）、添加计量仪（127）、添加管路（128）和添加-抽料共用管路（125）连接到加注枪（111）的进料-出料口；使用金属储氢材料更换装置（6）抽出金属储氢材料的目的包括但不限于更换金属储氢材料以恢复其吸放氢性能，或对金属储氢材料进行升温以增加吸放氢的动力学性能。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的金属氢化物氢能做功系统，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）内的换热都采用氢气直接进入金属储氢材料反应床进行换热的模式；当在B2金属储氢材料反应床（2）工作点β2吸氢放热时，进入B2金属储氢材料反应床（2）的氢气一部分被吸入B2金属储氢材料反应床（2）内的金属氢化物，剩余部分的氢气温度提高并携带热量流出B2金属储氢材料反应床（2）进入水冷却器（14），金属氢化物严格限制在B2金属储氢材料反应床（2）内的格栅里，不允许任何金属氢化物颗粒溢出到格栅之外，格栅只允许氢气或者液氢进出；对于B1金属储氢材料反应床（1）的工作点β1来讲是放氢吸热过程，只允许氢气携带热量进出B1金属储氢材料反应床（1），金属氢化物严格限制在B1金属储氢材料反应床（1）内的格栅里，只允许液氢和少量的气态氢气流出B1金属储氢材料反应床（1）；如果进行切换后，B1金属储氢材料反应床（1）的工作点变为β2，B2金属储氢材料反应床（2）的工作点变为β1，如此循环往复；

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氢气进口进入的氢气进行冷却液化和金属储氢材料放出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一部分氢气进行进一步的升温处理，另一部分进行吸氢进入金属储氢材料。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的金属氢化物氢能做功系统，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；B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）中存储的金属氢化物可以是任意粒径的任意组合，同时，金属氢化物可以是实心或空心的。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的金属氢化物氢能做功系统，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；

包括但不限于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，利用金属储氢材料反应床直接换热使做功氢气升温；系统至少存在一个负压单元，或是金属氢化物的负压，或是氢气液化的负压，或是以上负压的组合；低温下的做功氢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做功氢气进行液化；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一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β2包括但不限于低于环境温度的任一温度，金属氢化物的低温点β1包括但不限于低于氢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；

允许在每个循环内或循环间隔对金属氢化物的至少一个状态点进行短暂加热，以恢复金属氢化物的动力学性能，从而加快金属氢化物的吸放氢速度；

金属储氢材料的吸/放氢状态点和工作点参数可根据工艺需要进行任意调节；

系统也允许去掉保护罩（28），输入系统的热能均来自水冷却器（14）；

金属储氢材料反应床也可设置三台或更多，并以“两吸一放”或“两放一吸”等任意组合的切换方式进行操作，以适应吸/放氢反应速率不一致的工况；所述两吸一放指两台反应床进行吸氢操作的同时另一台反应床进行放氢操作，所述两放一吸指两台反应床进行放氢操作的同时另一台反应床进行吸氢操作；

所述金属氢化物氢能做功系统安装在汽车、轮船等交通工具、手机等通信设备或其他设备上，可以利用自然物质所携带的能量，通过工质循环做功，将柯来浦氢能转变为机械能或电能从而驱动以上设备运行，实现绿色能源；柯来浦氢能定义为包括但不限于自然界的能量和所述金属氢化物氢能做功系统相结合而产生的能量；

在吸放氢切换时，装有B1金属储氢材料反应床（1）的1#储氢罐和装有B2金属储氢材料反应床（2）的2#储氢罐保持不动，交换1#储氢罐和2#储氢罐中的金属储氢材料反应床；切换时，1#储氢罐和2#储氢罐的温度不变，仅仅改变B1金属储氢材料反应床（1）和B2金属储氢材料反应床（2）的温度；交换1#储氢罐和2#储氢罐中金属储氢材料反应床的过程，可以是缓慢进行的，也可以是瞬间进行的，交换速度不限；采用包括但不限于气流输送或机械输送的方式交换1#储氢罐和2#储氢罐中的金属储氢材料反应床。

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