CN111707018A - 一种基于金属氢化物的快速温变箱 - Google Patents

一种基于金属氢化物的快速温变箱 Download PDF

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Abstract

本发明涉及动力电池环境仓用温变技术领域，具体为一种基于金属氢化物的快速温变箱。所述快速温变箱内设有反应器A、反应器B；A与B通过密封的氢气管路相连；所述氢气管路上设有电磁阀、氢气泵；所述反应器A含有填充物A1；所述A1中含有金属氢化物；所述反应器B含有填充物B1；所述B1中含有储氢合金材料；当A通过金属氢化物分解吸热对试验区进行制冷时，则B通过储氢合金材料的吸氢产生热量；所述A、B分别设置在不同的实验区，不同的实验区之间设有隔热材料。本发明通过调节氢气泵实现对氢气输送流量的控制，通过对氢气输送流量的控制实现对制冷或制热量的控制。

Description

一种基于金属氢化物的快速温变箱
技术领域
本发明涉及动力电池环境仓用温变技术领域，具体为一种基于金属氢化物的快速温变箱。
背景技术
电池测试，主要用于检测电流、电压、容量、内阻、温度、电池循环寿命，并给出曲线图，是动力电池投放市场的必要过程，动力电池环境仓是一种专用电池测试试验设备，主要用于动力电池进行可靠性试验、考核和确定动力电池产品及零部件等在进行高低温试验后的参数及性能，是新能源汽车、科研、学校等领域必备的测试设备。现有的动力电池测试系统采用电加热和传统压缩机制冷的方法实现往复冷-热循环，该方法能耗高，系统复杂，运行成本大。基于此，本发明设计了一种系统基于金属氢化物的动力电池环境仓用温变，对比常规技术能极大的节约能耗，降低成本。
发明内容
本发明针对电加热和传统压缩机制冷存在能耗高，系统复杂，运行成本大等问题，提出了一种节能、高效的基于金属氢化物的快速温变箱。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，所述快速温变箱内设有反应器A、反应器B、储氢罐C；A、B、C通过密封的氢气管路相连；所述氢气管路上设有电磁阀、氢气泵；所述反应器A含有填充物A1；所述A1中含有储氢合金材料；所述反应器B含有填充物B1；所述B1中含有储氢合金材料；所述储氢罐C为耐高压的氢气罐，所述耐高压的氢气罐含有填充物C1或充有氢气或为真空；所述C1中含有储氢合金材料。当然耐高压的氢气罐的设置个数可以是1个也可以是2个以上，当有2个以上的储氢罐时，其中至少有1个储氢罐可以通过阀门与外界相连，且该储氢罐中不含填充物C1。
当A通过金属氢化物分解吸收热量对实验区进行制冷时，其吸收的热量由氢气转移至反应器B中通过吸氢反应存储；当A通过储氢金属吸氢释放热量对试验区进行制热时，其释放的热量来自于反应器B中通过放氢反应预先存储的热量；
当A需要对实验区进行快速温变时，将反应器A与储氢罐C连通，所述储氢罐C中氢容量为反应器A氢容量的M倍，可在短时间内实现对A的快速充氢，迅速释放热量制热；或快速放氢，迅速吸收热量制冷；所述M大于等于1.1；
所述反应器A设置在实验区，反应器B、储氢罐C分别设置在设备内不同区域，不同区域之间设有隔热材料；
通过调节氢气泵实现对氢气输送流量的控制，通过对氢气输送流量的控制实现对制冷或制热量的控制。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，所述反应器A内设置的储氢合金材料A1呈粉末状；所述储氢合金粉末A1在-70℃至80℃能与氢气发生吸氢或脱氢反应。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，所述反应器B设置的储氢合金材料B1呈粉末状；所述储氢合金材料B1在-70℃至80℃能与氢气发生吸氢或脱氢反应。反应器B内储氢合金材料B1所含氢容量约等于反应器A的氢容量。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，所述储氢罐C设置的储氢合金材料C1呈粉末状；所述储氢合金材料C1在-0℃至40℃能与氢气发生快速的吸氢或脱氢反应；储氢罐C内储氢合金材料C1的氢容量大于反应器A的氢容量的5倍以上。
所述储氢合金粉末A1选自镧镍合金粉末、镧镍铝合金粉末、镧镍锡合金粉末、钛铁合金粉末、钛锰合金粉末、钒钛合金粉末中的至少一种；
所述反应器B设置的储氢合金材料B1呈粉末状；所述储氢合金材料选自镧镍合金粉末、镧镍铝合金粉末、镧镍锡合金粉末、钛铁合金粉末、钛锰合金粉末、钒钛合金粉末中的至少一种；
储氢合金材料C1呈粉末状；所述储氢合金材料选自镧镍合金粉末、镧镍铝合金粉末、镧镍锡合金粉末、钛铁合金粉末、钛锰合金粉末、钒钛合金粉末中的至少一种。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，通过调节反应器A氢气压力实现对实验区的温度控制；在对实验区进行恒温控制时，通过控制调压阀，使反应器A氢气压力稳定在±0.001bar，从而使储氢材料处于热力学平衡状态，进而使得实验区的温度控制精度达到<±0.05℃。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，通过调节氢气泵实现对氢气输送流量的控制，通过对氢气输送流量的控制实现对制冷或制热量的精确控制。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，通过将反应器A与储氢罐C连通，实现实验区的快速温升或温降，其温升速率可调且最快可达100℃/min，其降温速率可调且最快可达60℃/min。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，当有金属氢化物放氢后，其自动转变成具有吸氢能力的储氢合金粉末；此时的储氢合金粉末可再通过吸氢实现对对应实验区域的加热，进而实现对实验区的反复温变效果。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，当反应器A所对应实验区需要保温时，通过控制调压阀，维持反应器A内的氢气压力，利用风扇将实验区的空气与反应器A换热，实现恒温效果；
当反应器A所对应实验区需要降温时，调整电磁阀方向，氢气泵将反应器A中的氢气泵向反应器B，致使反应器A内金属氢化物分解吸热，同时泵入的氢气与反应器B中的储氢合金材料发生吸氢反应；放热；利用风扇将环境仓的空气与反应器A换热，实现制冷效果；
当反应器A所对应实验区需要升温时，调整电磁阀方向，氢气泵将反应器B中的氢气泵向反应器A；致使反应器A内储氢合金粉末吸氢放热，同时，反应器B内金属氢化物分解吸热。利用风扇将实验区的空气与反应器A换热，实现制热效果；
当反应器A所对应实验区需要快速升温时，调整电磁阀方向，预设储氢罐C内充满高压氢气，将储氢罐C中氢气快速充入反应器A，致使反应器A内储氢合金材料A1吸氢放热，利用风扇将实验区的空气与反应器A换热，实现快速加热效果；
当反应器A所对应实验区需要快速降温时，调整电磁阀方向，预设储氢罐C内为空状态(真空)，使反应器A中氢气快速充入储氢罐C，致使反应器A内储氢合金材料A1吸氢放热，利用风扇将实验区的空气与反应器A换热，实现快速降温效果。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，快速温变箱设有氢气传感器；如检测到氢气泄露，关闭系统所有阀门并停机报警。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，当实验区域的体积、反应器A、反应器B的规模以及金属氢化物、储氢物质的用量确定后，此时反应器A与反应器B内的氢气分压是与其对应实验区域的温度成一一对应关系的，通过这样设计，便于更进一步的实现对实验区域温度的精准控制。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，也便于通过快速补氢和放氢，加快对设定区域的升温或降温。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，还可以设有压力传感器、温度传感器，气体流量计、风机、风轮等部件。上述部件根据实际需要设置在快速温变箱内。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，反应器A由n个子反应器组合而成，反应器外部设有散热翅片，反应器由铜管连通，铜管内为流通氢气。反应器数量根据制冷/制热量确定。所述n大于等于1；优选为大于等于2。同时，当n大于等于2时，n个子反应器中所填充的金属氢化物的种类可以不同，也可以相同。n个子反应器中，金属氢化物的含量可以相同也可以不同。
本发明一种基于金属氢化物的快速温变箱，反应器B，由p个子反应器组合而成，反应器外部设有散热翅片，反应器由铜管连通，铜管内为流通氢气。反应器数量根据制冷/制热量确定。所述p大于等于1；优选为大于等于2。同时，当p大于等于2时，p个子反应器中所填充的储氢合金的种类可以不同，也可以相同。p个子反应器中，储氢合金的含量可以相同也可以不同。
作为进一步的优选方案，n个子反应器中，含有至少1个备用反应器，所述备用反应器是指：其他反应器参与反应时，其可以独立出来，不参与反应。在工程上应用时，通过阀门设置，阻止氢气的进入或脱离既可以将其独立出来。
作为进一步的优选方案，p个子反应器中，含有至少1个备用反应器，所述备用反应器是指：其他反应器参与反应时，其可以独立出来，不参与反应。在工程上应用时，通过阀门设置，阻止氢气的进入或脱离既可以将其独立出来。
本发明任意一个子反应器由镂空的铜管、外管、填充材料、活动封板、滤网、带气口的法兰构成；所述填充材料填充于镂空的铜管和外管之间，镂空的铜管和外管端部设有活动封板和滤网，带气口的法兰对镂空的铜管和外管进行封装，使得气流顺利进入其气口。所述外管具有优异的耐压、导热能力，其材质为铜合金或铝合金。采用这样的设计，在最大程度上保证了单个子反应器能对其有效区域进行快速升温或降温。
原理和优势
本专利利用金属氢化物/储氢合金的吸放氢反应的本征热效应，对于目标腔体/物体实现一种快速、反复的温变的效应。本专利所述的技术有如下优势：
1、快速温变。金属氢化物/储氢合金的氢反应速率快，吸放热量大，能在极短的时间内实现传统方法难以达到的快速温升/温降。
2、高能效。传统温变方式是采用电加热元件进行加热，通过制冷热泵进行降温。在温度循环过程中，目标腔体/物体的热和冷会反复地消耗，能耗非常大。本专利是将热能以化学能方式反复存储和释放，仅通过调节氢气流动方向和压力来控制温度，节能效果显著。
3、温控精度高。传统温控方式是采用PID程控反复调节加热和制冷功率实现，温度难免存在波动，精度偏低。本专利利用储氢材料氢反应的热力学平衡原理，通过调节氢气压力使材料处于恒温平衡态，从而实现高精度控温。
附图说明
附图1为本发明所设计反应器组的侧视图；
附图2为本发明所设计反应器组的左视图；
附图3为本发明所设计反应器组的俯视图；
附图4为本发明所设计反应器组的立体图；
附图5为本发明所设计单个反应管的示意图和局部放大图；
附图6为本发明所设计快速温变箱的侧视图；
附图7为本发明所设计快速温变箱的剖面图；
附图8为本发明所设计快速温变箱的左视图；
附图9为本发明所设计快速温变箱的俯视图；
附图10为本发明所设计反应器组的立体图。
附图11为本发明所设计氢气罐正视图。
附图12为本发明所设计氢气罐轴视图。
具体实施方式
实施例1
快速温变箱中的反应器A内装填2千克LaNi5合金。反应器B内装填2千克LaNi5合金，储氢罐C内装填10千克VTiCr合金；A、B、C通过密封的氢气管路相连；所述氢气管路上设有电磁阀、氢气泵；氢气泵气体压缩比大于20。
反应器A和B由35根反应管组成，其组装图如图1，2，3所示。反应管为铜合金材质，外部散热翅片为铝合金材质，翅片厚度0.05mm，翅片间隔2mm，反应管外径0.75寸，内径0.625寸，内部装填LaNi5合金，中间设有多孔金属铝导气管，其设计图如图5所示。
本实施例的温变箱可实现-40℃至80℃的快速温变。最快温升速率80℃/分钟，最快降温速率50℃/分钟，恒温段控温精度为±0.05℃。
实施例2
快速温变箱中的反应器A内装填2千克TiVMn合金。反应器B内装填2千克LaNi5合金，储氢罐C内装填15千克TiFe合金；A、B、C通过密封的氢气管路相连；所述氢气管路上设有电磁阀、氢气泵；氢气泵气体压缩比大于20。
反应器A和B由50根反应管组成，其组装图如图1，2，3所示。反应管为铜合金材质，外部散热翅片为铝合金材质，翅片厚度0.05mm，翅片间隔2mm，反应管外径0.75寸，内径0.625寸，内部装填TiVMn合金，中间设有多孔金属铝导气管，其设计图如图5所示。
本实施例的温变箱可实现-60℃至80℃的快速温变。最快温升速率100℃/分钟，最快降温速率60℃/分钟，恒温段控温精度为±0.05℃。
实施例3
快速温变箱中的反应器A内装填5千克TiVMn合金。反应器B内装填5千克LaNiAl合金，储氢罐C为高压储氢罐；A、B、C通过密封的氢气管路相连；所述氢气管路上设有电磁阀、氢气泵；氢气泵气体压缩比大于50。
反应器A和B由60根反应管组成，其组装图如图1，2，3所示。反应管为铜合金材质，外部散热翅片为铝合金材质，翅片厚度0.05mm，翅片间隔2mm，反应管外径0.75寸，内径0.625寸，内部装填TiVMn合金，中间设有多孔金属铝导气管，其设计图如图5所示。
本实施例的温变箱可实现-60℃至80℃的快速温变。最快温升速率100℃/分钟，最快降温速率60℃/分钟，恒温段控温精度为±0.05℃。

Claims (8)

1.一种基于金属氢化物的快速温变箱，其特征在于：所述快速温变箱内设有反应器A、反应器B、储氢罐C；A、B、C通过密封的氢气管路相连；所述氢气管路上设有电磁阀、氢气泵；所述反应器A含有填充物A1；所述A1中含有储氢合金材料；所述反应器B含有填充物B1；所述B1中含有储氢合金材料；所述储氢罐C为耐高压的氢气罐，所述耐高压的氢气罐含有填充物C1或充有氢气或为真空；所述C1中含有储氢合金材料；
当A通过金属氢化物分解吸收热量对实验区进行制冷时，其吸收的热量由氢气转移至反应器B中通过吸氢反应存储；当A通过储氢金属吸氢释放热量对试验区进行制热时，其释放的热量来自于反应器B中通过放氢反应预先存储的热量；
当A需要对实验区进行快速温变时，将反应器A与储氢罐C连通，所述储氢罐C中氢容量为反应器A氢容量的M倍，可在短时间内实现对A的快速充氢，迅速释放热量制热；或快速放氢，迅速吸收热量制冷；所述M大于等于1.1；
所述反应器A设置在实验区，反应器B、储氢罐C分别设置在设备内不同区域，不同区域之间设有隔热材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的快速温变箱，其特征在于：
所述反应器A内设置的储氢合金材料A1呈粉末状；所述储氢合金粉末A1在-70℃至80℃能与氢气发生吸氢或脱氢反应；
所述反应器B设置的储氢合金材料B1呈粉末状；所述储氢合金材料B1在-70℃至80℃能与氢气发生吸氢或脱氢反应。反应器B内储氢合金材料B1所含氢容量约等于反应器A的氢容量。
所述储氢罐C设置的储氢合金材料C1呈粉末状；所述储氢合金材料C1在-0℃至40℃能与氢气发生快速的吸氢或脱氢反应；储氢罐C内储氢合金材料C1所含氢容量大于反应器A的氢容量的5倍以上。
3.根据权利要求2所述的一种基于金属氢化物的快速温变箱，其特征在于：
所述储氢合金粉末A1选自镧镍合金粉末、镧镍铝合金粉末、镧镍锡合金粉末、钛铁合金粉末、钛锰合金粉末、钒钛合金粉末中的至少一种；
所述反应器B设置的储氢合金材料B1呈粉末状；所述储氢合金材料选自镧镍合金粉末、镧镍铝合金粉末、镧镍锡合金粉末、钛铁合金粉末、钛锰合金粉末、钒钛合金粉末中的至少一种；
储氢合金材料C1呈粉末状；所述储氢合金材料选自镧镍合金粉末、镧镍铝合金粉末、镧镍锡合金粉末、钛铁合金粉末、钛锰合金粉末、钒钛合金粉末中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的快速温变箱，其特征在于：
通过调节反应器A氢气压力实现对实验区的温度控制；在对实验区进行恒温控制时，通过控制调压阀，使反应器A氢气压力稳定在±0.001bar，从而使储氢材料处于热力学平衡状态，进而使得实验区的温度控制精度达到<±0.05℃。
通过调节氢气泵实现对氢气输送流量的控制，通过对氢气输送流量的控制实现对制冷或制热量的精确控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的快速温变箱，其特征在于：
通过将反应器A与储氢罐C连通，实现实验区的快速温升或温降，其温升速率可调且最快可达100℃/min，其降温速率可调且最快可达60℃/min。
6.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的快速温变箱，其特征在于：当有金属氢化物放氢后，其自动转变成具有吸氢能力的储氢合金粉末；此时的储氢合金粉末可再通过吸氢实现对对应实验区域的加热，进而实现对实验区的反复温变效果。
7.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的快速温变箱，其特征在于：
当反应器A所对应实验区需要保温时，通过控制调压阀，维持反应器A内的氢气压力，利用风扇将实验区的空气与反应器A换热，实现恒温效果；
当反应器A所对应实验区需要降温时，调整电磁阀方向，氢气泵将反应器A中的氢气泵向反应器B，致使反应器A内金属氢化物分解吸热，同时泵入的氢气与反应器B中的储氢合金材料发生吸氢反应；放热；利用风扇将环境仓的空气与反应器A换热，实现制冷效果；
当反应器A所对应实验区需要升温时，调整电磁阀方向，氢气泵将反应器B中的氢气泵向反应器A；致使反应器A内储氢合金粉末吸氢放热，同时，反应器B内金属氢化物分解吸热。利用风扇将实验区的空气与反应器A换热，实现制热效果；
当反应器A所对应实验区需要快速升温时，调整电磁阀方向，预设储氢罐C内充满高压氢气，将储氢罐C中氢气快速充入反应器A，致使反应器A内储氢合金材料A1吸氢放热，利用风扇将实验区的空气与反应器A换热，实现快速加热效果；
当反应器A所对应实验区需要快速降温时，调整电磁阀方向，预设储氢罐C内为空状态，使反应器A中氢气快速充入储氢罐C，致使反应器A内储氢合金材料A1吸氢放热，利用风扇将实验区的空气与反应器A换热，实现快速降温效果。
8.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的快速温变箱，其特征在于：快速温变箱设有氢气传感器；如检测到氢气泄露，关闭系统所有阀门并停机报警。
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