CN115535962A - 一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车新能源燃料发生装置领域，具体是一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，包括：氢燃料置换装置、储水系统、氢气储存室；氢燃料置换装置，用于将钠原料与储水系统供应的水溶液进行反应，并将产生的氢气过滤至氢气储存室、车载控制器；储水系统，用于储存水溶液，并输送水溶液至氢燃料置换装置内进行反应；当检测到金属钠原料耗尽时，储水系统停止提供水溶液，以使氢燃料置换装置将氢氧化钠溶液排出回收；氢气储存室，用于将氢燃料置换装置反应产生的氢气进行储存，以提供给氢能源动力汽车。本发明选择钠作为原料，在常温常压环境下方便运输，利用与水反应置换出氢燃料供汽车使用，解决氢能源不方便携带的问题。

Description

一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器

技术领域

本发明属于汽车新能源燃料发生装置领域，具体说是一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器。

背景技术

众所周知全世界为了控制和降低地球大气层的温室效应，人们正在不断的在生活、生产和工作等方面以各种方式努力减少碳排放污染，其中对以消耗化石能源燃料为动力的行驶车辆产生碳排放污染的限制，或选择使用低碳排放和无碳排放燃料为能源已成为目前的主要技术创新和发展趋势。

当前产生清洁能源的主要途径有风力发电、水利发电、光伏发电和核能发电等几种方式，然而要将这些能源携带于行驶的各种车辆上，目前主要采用两种形式，一种是将电能存放在可重复充放电的电池中，使用电池电能驱动电动汽车；另一种是将电能转换成氢气燃料，然后将氢气储存在特制的高压容器内或超低温保温容器中，容器安装在车体结构中为燃料电池提供电力驱动电动汽车或提供氢燃料给内燃机驱动的车辆。电池电动汽车存在电能补充时充电耗时等待和重复充电导致电池储能效率下降、电池寿命缩短等人们所关心的问题。而携带和使用氢燃料的动力车辆；此外，目前使用的氢燃料储存方法主要有两种形式，一种方法是将氢气以高压气体形态储存在高压容器中，由于材料的承受压力限制携带燃料储量低，金属氢脆效应导致容器结构强度寿命在重复使用中下降，使得人们对使用这种容器的安全性很担心。另一种方法是将氢燃料制成液态氢，储存液态氢的容器超低温保温结构不仅复杂而且安全性问题也很令人担忧，正是这些因素导致氢燃料在新能源汽车普及受到制约。

发明内容

本发明目的是提供一种提高储能效率且可随时控制氢气发生的用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，以克服上述氢能源燃料装载设备的缺陷。

本发明采用金属钠原料代替氢燃料装载于车载燃料供应系统，因为金属钠在常温常压无氧化环境下方便的存放，比直接携带氢燃料容易很多。金属钠能与水反应置换出的氢气可做为氢燃料提供给氢燃料动力系统使用。本发明提供了一种可实时控制的金属钠与水反应置换氢气燃料，且由车载控制器控制的载钠置换氢气燃料发生器。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，包括：氢燃料置换装置、储水系统以及氢气储存室；

所述储水系统，用于储存水溶液，并由输水管路输送水溶液至氢燃料置换装置内进行反应；当检测到金属钠原料耗尽时，储水系统停止提供水溶液，以使氢燃料置换装置将氢氧化钠溶液排出；

所述氢气储存室，用于将氢燃料置换装置反应产生的氢气进行储存，以提供给氢能源动力汽车。

所述氢燃料置换装置，包括：氢氧化钠排出管路、置换发生容器以及置换发生容器内的温度传感器，由浮球连杆连接角度检测传感器组成的液位检测传感器装置；

所述置换发生容器为中空壳体，且嵌设于储水系统中，以通过储水系统包覆实现降温；

所述置换发生容器的顶面设有滤网开口，以使经反应后产生的氢气进入至氢气储存室；所述置换发生容器侧壁上开设有钠原料入口；

所述置换发生容器底部设有入水管道；所述开设在置换发生容器中下部侧壁处的氢氧化钠溶液流出孔连有氢氧化钠排出管路；所述氢氧化钠溶液流出孔与氢氧化钠排出管路连接；储水系统通过置换发生容器底部的入水管道向置换发生容器注入水溶液；

所述氢氧化钠排出管路上设有管道阀门，所述管道阀门与车载控制器连接；所述氢氧化钠排出管路的氢氧化钠溶液排出口的水平高度大于置换发生容器内最高液位的高度，以防止打开氢氧化钠溶液排出口时氢氧化钠水溶液溢出氢氧化钠溶液排出口；

所述氢氧化钠排出管路为铁管或钢管；

所述温度传感器设于置换发生容器的内壁中上部，用于检测金属钠熔化时液体温度；

所述液位检测装置，用于监控钠原料与水溶液发生化学反应生成的氢氧化钠溶液储量，即监控氢氧化钠溶液的液面位置；

所述温度传感器和液位检测装置均与车载控制器连接。

所述液位检测装置，包括：液面位置传感器、连杆、浮球；

所述液面位置传感器设于置换发生容器的顶部内壁上，所述液面位置传感器为角度传感器；所述液面位置传感器与车载控制器连接；

所述液面位置传感器的检测转轴与连杆一端连接，所述连杆另一端连有浮球；所述浮球的密度小于氢氧化钠溶液的密度。

所述氢氧化钠溶液流出孔与置换发生容器底部的注水网之间的距离为：2cm～4cm，注水网为40-50目不锈钢筛网；所述氢氧化钠溶液流出孔与置换发生容器底部之间设有注水网，当水位上升时，通过注水网的孔与处于置换发生容器底面分布的金属钠表面均匀接触。

所述储水系统，包括：水箱、注水泵以及输水管路；

所述水箱中心处设有通槽，所述通槽内嵌设有置换发生容器，且通槽的形状与置换发生容器相适配，通槽内壁与置换发生容器外壁相贴设置；

所述水箱顶部设有水箱注水口，底部设有出水口，所述出水口通过输水管路与注水泵的输入端连接，所述注水泵的输出端通过入水管道与置换发生容器底部连接，以实现为置换发生容器提供水溶液；

所述注水泵与车载控制器连接，以控制抽取水箱内的水溶液输送至置换发生容器的通断；

所述输水管路为铁管或钢管。

所述氢气储存室设于置换发生容器顶部，且氢气储存室底部与置换发生容器顶部开口之间设有氢钠分离过滤网，以用于过滤悬浮于氢气中的金属钠微粒，阻止金属钠微粒进入氢气储存室；

所述氢气储存室上还设有压力传感器，且压力传感器与车载控制器连接，用于测量氢气储存室内的氢气的储量与压力；

所述氢气储存室顶部还设有为氢能源动力汽车提供氢气源的氢气燃料输出口；氢气燃料输出上设有氢气输送控制阀，所述氢气输送控制阀与车载控制器连接。

所述氢钠分离过滤网为金属丝编织的筛网。

还包括搅拌装置，所述搅拌装置，包括：搅拌电机以及安装在搅拌电机输出轴上的搅拌转盘；

所述搅拌电机设于氢气储存室顶部，所述搅拌电机与车载控制器连接；

所述搅拌电机的输出轴依次穿过氢气储存室、进入至置换发生容器，输出轴末端固接有搅拌转盘；

所述搅拌电机的输出轴与氢气储存室顶部之间设有密封圈。

所述搅拌转盘圆形盘状结构，搅拌转盘上均匀布设有多个通孔，在所述搅拌转盘底面上设有沿中心轴周向均与分布有垂直的搅拌棒，所述搅拌棒为柱状结构，当搅拌转盘在转盘转动过程中盘面安装的搅拌棒刺破液态金属钠表面沸腾的气泡释放氢气。

一种用于氢能源动力汽车的载纳置换氢气燃料发生器的控制方法，包括以下步骤：

1)通过钠原料入口向置换发生容器投入钠金属原料，根据充填的钠金属原料的数量，控制储水系统的注水泵启动，同时控制注水泵的流量；

2)液面位置传感器采集到置换发生容器内的氢氧化钠的水溶液的液位信息发送至车载控制器，以使车载控制器通过监控氢氧化钠的水溶液的液位信息获取到钠金属原料的消耗量，钠金属原料消耗完毕后，关闭储水系统的注水泵工作；

3-1)压力传感器采集到氢气储存室的氢气压力值后发送至车载控制器，以使车载控制器获取当前氢气储存室内压力值，即氢燃料的储量；当氢气储存室内的氢气压力低于设定阈值时，执行步骤1)—步骤2)，使氢气压力达到阈值；

3-2)当压力传感器采集到氢气储存室的氢气压力值达到预设的上限值时，根据氢能源动力汽车的氢燃料需求量，氢气输送控制阀打开并输送氢燃料；氢气输送完成后，控制氢气输送控制阀调节或关闭；

3-3)当置换发生容器内进行反应过程中，温度传感器采集置换发生容器内的工作温度，当工作温度高于金属钠熔点时，启动搅拌电机，粉碎漂浮在液化的金属钠表面包裹氢气的气泡释放氢气；

3-4)当置换发生容器内进行反应过程中，温度传感器采集置换发生容器内的温度高于设定的冷却报警阈值，表示水箱无法进行冷却，关闭注水泵并向终端报警；

4)液面位置传感器采集到置换发生容器内氢氧化钠溶液的液位高度达到设定值，在置换发生容器重新装载金属钠原料前抽取氢氧化钠溶液时，打开管道阀门，并通过氢氧化钠溶液管道排出氢氧化钠的水溶液。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明选择钠原料作为能源载体，在常温常压环境下方便运输，使用燃料时利用与水反应置换出氢燃料供氢燃料动力系统使用，很好的解决氢能源不方便携带的问题。

2.钠资源取之与食盐氯化钠，来源非常丰富,钠在置换氢时产生的氢氧化钠剩余物是制取金属钠的最佳原料，因为氢氧化钠加热400度就可以融化和电解氢氧化钠制取金属钠。置换产生的氢气能源可以为燃料电池提供燃料，也可以混合生物燃料做为传统的内燃机使用的环保燃料；对于供电不稳定的风力发电和光伏发电网，将电能转换为钠金属原料储存，钠原料在非氧化环境下储存方便，只要使用钠置换氢燃料发生装置就可以为使用氢能的系统提供氢气。

3.本发明的氢氧化钠溶液流出孔与置换发生容器底部之间设有注水网，当水位上升时，通过注水网的孔与处于置换发生容器底面分布的金属钠表面均匀接触。

4.本发明的搅拌装置在转盘转动过程中盘面安装的搅拌棒刺破液态金属钠表面沸腾的气泡释放氢气。

5.本发明的水箱不仅可以提供水溶液，还可以对置换发生容器进行冷却处理。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

其中，1为置换发生容器，2为水箱，3为钠原料入口，4为氢气燃料输出口，5为注水口，6为注水泵，7为氢氧化钠溶液排出口，8为管道阀门，9为氢气输送控制阀，10为搅拌电机，11为压力传感器，12为输水管路，13为氢氧化钠排出管路，14为钠金属原料，15为水溶液，16为氢气储存室，17为氢氧化钠溶液，18为液面位置传感器，19为氢钠分离过滤网，20为搅拌转盘，21为入水管道，22为过滤网，23为浮球，24为温度传感器；

图2本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的结构示意图，本装置包括：氢燃料置换装置、储水系统、氢气储存室16、搅拌装置；

氢燃料置换装置，用于将钠原料与储水系统供应的水溶液进行反应，并将产生的氢气过滤至氢气储存室16，同时，当车载控制器获取到金属钠原料耗尽时，关闭储水系统提供水溶液，氢氧化钠溶液排出至钠原料加注站回收处理；

氢氧化钠溶液是钠金属原料14与设定过量的水溶液15做置换氢气化学反应生成并遗留在容器内的高浓度氢氧化钠水溶液。在钠金属原料14充满容器时，容器内没有氢氧化钠的水溶液，当水溶液15从容器底部进入与钠金属原料14接触时就会生成氢氧化钠的水溶液，随着置换氢气化学反应的持续和钠金属的消耗，氢氧化钠溶液也不断积累致使氢氧化钠溶液液位不断提高，当容器内的金属钠原料14耗尽时氢氧化钠的水溶液充满容器，等待下一次充填金属钠原料14前被从容器中抽出回收。

储水系统，用于储存水溶液，并由输水管12输送水溶液至氢燃料置换装置内进行反应；

氢气储存室16，用于将氢燃料置换装置反应产生的氢气进行储存，并为氢能源动力汽车供应氢燃料能源；

本发明通过车载控制器实现电器元件的控制，其中，车载控制器接收安装在氢气储存室16顶部的压力传感器11发送的压力信号，并控制储水系统的注水泵6向氢燃料置换装置输送水溶液的流量和通断；

车载控制器还接收氢燃料置换装置内置的温度传感器24发送的液态金属钠的温度信号，当氢燃料置换装置的液态金属钠的温度高于设定值时车载控制器启动搅拌装置的搅拌电机10，当氢燃料置换装置的温度超过氢燃料置换装置结构允许的设定温度时车载控制器关闭氢燃料置换装置注水泵6的工作；

车载控制器接收氢燃料置换装置内置的液位传感器18发送的氢氧化钠溶液的液位信号，以控制储水系统注水泵6的通断，并依据氢气储存室16内的氢气储量不足或超出设定阈值报警；

如图1所示，为本发明的结构示意图，其中，氢燃料置换装置，包括：氢氧化钠排出管路13、置换发生容器1以及置换发生容器1内的温度传感器24，由浮球连杆23连接角度检测传感器18组成的液位检测传感器装置；

置换发生容器1，储存金属钠和置换氢气燃料的容器，置换发生容器1为中空壳体，且嵌设于储水系统中，以通过储水系统包覆实现降温；本实施例中，钠金属原料14在常温状态下是固体形式存在的，将钠金属制成米粒状颗粒比较适合于容器的装填，当需要提取氢气燃料时，容器内置换氢气的化学反应产生的热量会逐步将金属钠熔化成液态，然而当长时间停止提供燃料时，容器内的金属钠溶液会因环境的常温冷却凝固成一整块固体，由于金属钠的比重与留在容器内置换完氢气后生成的氢氧化钠溶液的比重差别很大，金属钠的比重每立方厘米0.97克，而且氢氧化钠溶液比重大约每立方厘米2克左右，所以金属钠固体块因浮力作用悬浮在氢氧化钠溶液的表面。为了保证金属钠在整体固态的情况下仍能与氢氧化钠水溶液中的水维持连续的发生置换氢气的化学反应，本发明通过倒置梯形内部空间的容器形状目的是保证在化学反应时生成的氢气可以从容器内侧壁朝上的斜面向容器的顶部方向排出。因此，本实施例的置换发生容器1截面采用倒置的梯形的空间结构。

置换发生容器1的顶面设有滤网开口，以使经反应后产生的氢气进入至氢气储存室16；置换发生容器1侧壁上开设有用于充填钠金属原料14的钠原料入口3；

置换发生容器1底部设有入水管道21；置换发生容器1中下部侧壁处与氢氧化钠排出管路13连接；氢氧化钠排出管路13为氢氧化钠的水溶液体的排出通道，是加注站将氢氧化钠溶液回收专用通道口。

车载控制器控制储水系统通过置换发生容器1底部的入水管道21向置换发生容器1注入水溶液；

氢氧化钠排出管路13上设有管道阀门8；本实施例中，管道阀门8作为氢氧化钠溶液专用排出控制阀，该阀门在需要抽取氢氧化钠溶液操作时，车载控制器控制其打开，没有需要抽取氢氧化钠溶液操作时，车载控制器控制其关闭；

在氢氧化钠排液管道13的末端设有氢氧化钠溶液排出口7；在充填钠金属原料14前必须将留存在容器内的氢氧化钠的水溶液从氢氧化钠溶液排出口7抽出。氢氧化钠溶液排出口7的水平高度大于置换发生容器1内最高液位的高度，以防止在打开氢氧化钠溶液排出口7时，避免由于连通器原理导致氢氧化钠水溶液溢出氢氧化钠溶液排出口7，保证安全操作；

氢氧化钠排出管路13本实施例中采用不锈钢管路；防止管路内部受到氢氧化钠溶液腐蚀；

置换发生容器1的内壁中上部设有温度传感器24，用于检测金属钠熔化时液体温度；

液位检测装置，用于监控钠原料与水溶液发生化学反应生成的氢氧化钠溶液储量，即监控氢氧化钠溶液的液面位置；其中，液位检测装置，包括：包括：液面位置传感器18、连杆、浮球23；

液面位置传感器18设于置换发生容器1的顶部内壁上，本实施例中，液面位置传感器18用于监控钠与水化学反应生成的氢氧化钠，并形成的氢氧化钠水溶液储量，由于氢氧化钠水溶液的比重比水和金属钠都大，氢氧化钠溶液沉淀在容器底部，通过液面位置传感器18监控氢氧化钠溶液的液面位置，车载控制器可以通过液面位置传感器18获取置换发生容器1内氢氧化钠的水溶液的储量。车载控制器判断金属钠与氢氧化钠溶液储量的比例，当金属钠耗尽时，氢气储存室16压力不足而氢氧化钠溶液液面继续上升时，车载控制器将关闭置换发生容器1的氢气燃料的输出和停止注水泵6的工作。

液面位置传感器18为角度传感器；液面位置传感器18的检测转轴与连杆一端连接，连杆另一端连有浮球23；浮球23的密度小于氢氧化钠溶液的密度；上述温度传感器和液面位置传感器18均与车载控制器连接，液面位置传感器18向车载控制器反馈氢氧化钠液位电信号。液面位置传感器18的浮球23测定悬浮在氢氧化钠溶液液面的浮球23与液面位置传感器18所产生的角度，液面位置传感器18就获取角度信息后传输至车载控制器，车载控制器获取当前氢氧化钠溶液液面的位置。

如图1所示，图1中展示了环绕置换发生容器1为其提供冷却和置换氢化学反应水溶液的储水系统；其中，储水系统，包括：水箱2、注水泵6以及输水管路12；

水箱2储存用于与钠做置换氢气化学反应的水溶液，且水箱2中的水溶液15为置换发生容器1进行降温，水箱2中心处设有通槽，通槽内嵌设有置换发生容器1，且通槽的形状与置换发生容器1相适配，通槽内壁与置换发生容器1外壁相贴设置；

水箱2顶部设有水箱注水口5，底部设有出水口，出水口通过输水管路12与注水泵6的输入端连接，注水泵6的输出端通过入水管道21与置换发生容器1底部连接，以实现为置换发生容器1提供水溶液；

注水泵6与车载控制器连接，以根据车载控制器控制抽取水箱2内的水溶液输送至置换发生容器1的通断；本实施例中，输水管路12为不锈钢管路。

如图1所示，置换发生容器1顶部的氢气储存室16，

氢气储存室底部与置换发生容器1顶部开口之间设有用于过滤悬浮于氢气中的金属钠微粒，阻止金属钠微粒进入氢气储存室16的氢钠分离过滤网19；氢钠分离过滤网(19)为金属丝编织的筛网。

氢气储存室16上还设有压力传感器11，且压力传感器11与车载控制器连接，用于测量氢气储存室内的氢气的储量与压力，并将数据传输至车载控制器，使得置换发生容器1内的置换氢气的钠与水化学反应速度在车载控制器设定的阈值之下。

氢气储存室16顶部还设有为氢能源动力汽车提供氢气源的氢气燃料输出口4；氢气燃料输出口4上设有用于在车载控制器的控制下调整输出氢气燃料的流量氢气输送控制阀9，氢气输送控制阀9与车载控制器连接。

在氢气储存室16顶部设有搅拌装置，搅拌装置包括：搅拌电机10以及安装在搅拌电机输出轴上的搅拌转盘20；

其中，搅拌电机10设于氢气储存室16顶部，搅拌电机10与车载控制器连接；

搅拌电机10的输出轴依次穿过氢气储存室16、进入至置换发生容器1，搅拌电机10的输出轴与氢气储存室16顶部之间设有密封圈；搅拌电机10的输出轴末端固接有搅拌转盘20；

本实施例中，搅拌转盘20圆形盘状结构，搅拌转盘20安装在置换氢气燃料容器内顶部的氢钠分离过滤网19之下，搅拌转盘20上均匀布设有多个通孔，在搅拌转盘20底面上设有沿中心轴周向均与分布有垂直的搅拌棒，搅拌棒为柱状结构，由于置换发生容器1内置换氢气化学反应在金属钠溶液的底层进行，生成的氢气因浮力上升到液态金属钠的表面，因为液体表面的张力作用产生气泡，阻碍氢气从液态金属钠的表面释放出来，搅拌转盘20的作用就是在转盘转动过程中盘面安装的搅拌棒刺破液态金属钠表面沸腾的气泡释放氢气。

氢氧化钠溶液流出孔与置换发生容器1底部之间的距离为：2～4cm；氢氧化钠溶液流出孔与置换发生容器1底部之间设有注水网22，注水网由均匀分布微孔的不锈钢金属板制成，其微孔为40目～50目，输水管道12输出的水溶液经注水泵6、入水管路21和注水网22进入发生器容器内。注水网22与容器底部有一个间隙便于水溶液从均匀分布注水微孔的注水网中流出，当置换氢气燃料容器内的氢氧化钠溶液全部抽出以后，钠金属原料14充填进置换发生容器1内的空间，此时容器底部的注水网22将充填的金属钠原料14的颗粒被阻挡在注水网22的上面，注水网22与容器底部间隔的空间方便容器底部水溶液15的进入，水位上升通过注水网22与金属钠原料14接触发生置换氢气的化学反应。

如图2所示，为本发明的控制方法原理图，一种用于氢能源动力汽车的载纳置换氢气燃料发生器的控制方法，具体包括以下步骤：

1)通过钠原料入口3向置换发生容器1投入钠金属原料14，实时将充填的数量输入至车载控制器中，车载控制器控制储水系统的注水泵6启动；

2)车载控制器实时接收液面位置传感器18采集到置换发生容器1内的氢氧化钠的水溶液的液位信息；

3)车载控制器通过监控氢氧化钠的水溶液的液位信息获取到钠金属原料14的消耗量，钠金属原料14消耗完毕后，车载控制器关闭储水系统的注水泵6工作；

4-1)车载控制器接收到压力传感器11反馈的氢气储存室16的压力电信号后，获取氢气的储量，当氢气储存室16内的氢气压力低于设定阈值时，执行步骤1)—步骤3)，使氢气压力达到阈值；

4-2)当氢气储存室16内的氢气压力达到预设的上限值时，车载控制器向氢气输送控制阀9发出开启阀门信号，并根据氢能源动力汽车的氢燃料需求量，车载控制器打开氢气输送控制阀9的氢燃料流量；氢气输送完成后，车载控制器控制氢气输送控制阀9关闭；

4-3)当置换发生容器1内进行反应过程中，车载控制器实时接收温度传感器反馈温度电信号监测发生器容器内的工作温度，当工作温度高于金属钠熔点时车载控制器启动搅拌电机10装置，驱动搅拌转盘20粉碎漂浮在液化的金属钠表面包裹氢气的气泡释放氢气；

4-4)当置换发生容器1内进行反应过程中，车载控制器监测到置换发生容器1内温度高于设定的冷却报警阈值，表示水箱2无法进行冷却，车载控制器将关闭注水泵6并向终端报警；

5)当车载控制器监测到氢氧化钠溶液的液位高度达到设定值，控制管道阀门8打开，通过氢氧化钠溶液管道13排出氢氧化钠溶液。

本发明的工作原理如下：

本发明的主体结构由置换发生容器1和环绕置换发生容器1并为其提供冷却和置换氢化学反应水溶液的水箱2组成，本发明分为两层，置换发生容器1顶部设有氢气储存室16，并通过氢钠分离过滤网19为界，氢气储存室16上设有压力传感器11，氢气储存室16内氢气的压力传感信号反馈给车载控制器，氢钠分离过滤网19下方的置换发生容器1空间储存金属钠原料，水溶液15从置换发生容器1的底部经过注水网22与金属钠均匀接触，注水量由车载控制器控制注水泵6，依据氢气储存室16的压力调节水溶液15的通断。当氢气储存室16内压力接近限定压力值时，减少或关闭注水泵6的水溶液15的输送。置换氢气的反应在置换发生容器1内进行，当置换发生容器1内的温度上升，环绕置换发生容器1的水箱2中的水溶液15为置换发生容器1提供冷却功能，置换发生容器1内部侧壁安装了温度传感器24，车载控制器依据温度传感器24反馈电信号监测置换发生容器1内的工作温度，当工作温度高于金属钠熔点时车载控制器启动搅拌转盘20，粉碎漂浮在液化的金属钠表面包裹氢气的气泡释放氢气。如果容器内工作温度超过设定温度而异常，车载控制器关闭注水泵6并报警。

金属钠与水反应生成氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的比重大约是金属钠两倍，因此氢氧化钠溶液沉淀在金属钠的下层，在金属钠与氢氧化钠溶液层之间容器内设置一个浮球23，用连杆连接液位传感器18，当向置换发生容器1内充填金属钠原料时，必须将充填数量的数据输入到车载控制器中，当置换发生容器1内反应时，液位传感器18不断将氢氧化钠溶液的液位信息电信号反馈给车载控制器，车载控制器通过监控氢氧化钠溶液的液位进而获取到金属钠原料的消耗量。金属钠原料反应消耗完成后，车载控制器关闭置换发生容器1的工作。抽取氢氧化钠溶液管道13中间设置一个管道阀门8，管道阀门8由金属钠原料充填站充填金属钠原料时打开，先将容器中的氢氧化钠溶液从氢氧化钠溶液管道排出口7抽走，为充填金属钠原料让出空间，充填金属钠原料由容器的原料装入口3进入。置换发生容器1产生的氢气由氢气储存室16的氢气输出口4输出给氢燃料动力系统，车载控制器控制氢气输送控制阀9调节氢气的输出量。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，其特征在于，包括：氢燃料置换装置、储水系统以及氢气储存室；

所述储水系统，用于储存水溶液，并由输水管路(12)输送水溶液至氢燃料置换装置内进行反应；当检测到金属钠原料耗尽时，储水系统停止提供水溶液，以使氢燃料置换装置将氢氧化钠溶液排出；

所述氢气储存室(16)，用于将氢燃料置换装置反应产生的氢气进行储存，以提供给氢能源动力汽车。

2.根据权利要求1所述的一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，其特征在于，所述氢燃料置换装置，包括：氢氧化钠排出管路(13)、置换发生容器(1)以及置换发生容器(1)内的温度传感器(24)，由浮球连杆(23)连接角度检测传感器(18)组成的液位检测传感器装置；

所述置换发生容器(1)为中空壳体，且嵌设于储水系统中，以通过储水系统包覆实现降温；

所述置换发生容器(1)的顶面设有滤网开口，以使经反应后产生的氢气进入至氢气储存室(16)；所述置换发生容器(1)侧壁上开设有钠原料入口(3)；

所述置换发生容器(1)底部设有入水管道(21)；所述开设在置换发生容器(1)中下部侧壁处的氢氧化钠溶液流出孔连有氢氧化钠排出管路(13)；所述氢氧化钠溶液流出孔与氢氧化钠排出管路(13)连接；储水系统通过置换发生容器(1)底部的入水管道(21)向置换发生容器(1)注入水溶液；

所述氢氧化钠排出管路(13)上设有管道阀门(8)，所述管道阀门(8)与车载控制器连接；所述氢氧化钠排出管路(13)的氢氧化钠溶液排出口(7)的水平高度大于置换发生容器(1)内最高液位的高度，以防止打开氢氧化钠溶液排出口(7)时氢氧化钠水溶液溢出氢氧化钠溶液排出口(7)；

所述氢氧化钠排出管路(13)为铁管或钢管；

所述温度传感器(24)设于置换发生容器(1)的内壁中上部，用于检测金属钠熔化时液体温度；

所述液位检测装置，用于监控钠原料与水溶液发生化学反应生成的氢氧化钠溶液储量，即监控氢氧化钠溶液的液面位置；

所述温度传感器和液位检测装置均与车载控制器连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，其特征在于，所述液位检测装置，包括：液面位置传感器(18)、连杆、浮球(23)；

所述液面位置传感器(18)设于置换发生容器(1)的顶部内壁上，所述液面位置传感器(18)为角度传感器；所述液面位置传感器(18)与车载控制器连接；

所述液面位置传感器(18)的检测转轴与连杆一端连接，所述连杆另一端连有浮球(23)；所述浮球(23)的密度小于氢氧化钠溶液的密度。

4.根据权利要求2所述的一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，其特征在于，所述氢氧化钠溶液流出孔与置换发生容器(1)底部的注水网之间的距离为：2cm～4cm，注水网为40-50目不锈钢筛网；所述氢氧化钠溶液流出孔与置换发生容器(1)底部之间设有注水网(22)，当水位上升时，通过注水网(22)的孔与处于置换发生容器(1)底面分布的金属钠表面均匀接触。

5.根据权利要求1所述的一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，其特征在于，所述储水系统，包括：水箱(2)、注水泵(6)以及输水管路(12)；

所述水箱(2)中心处设有通槽，所述通槽内嵌设有置换发生容器(1)，且通槽的形状与置换发生容器(1)相适配，通槽内壁与置换发生容器(1)外壁相贴设置；

所述水箱(2)顶部设有水箱注水口(5)，底部设有出水口，所述出水口通过输水管路(12)与注水泵(6)的输入端连接，所述注水泵(6)的输出端通过入水管道(21)与置换发生容器(1)底部连接，以实现为置换发生容器(1)提供水溶液；

所述注水泵(6)与车载控制器连接，以控制抽取水箱(2)内的水溶液输送至置换发生容器(1)的通断；

所述输水管路(12)为铁管或钢管。

6.根据权利要求1所述的一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，其特征在于，所述氢气储存室(16)设于置换发生容器(1)顶部，且氢气储存室底部与置换发生容器(1)顶部开口之间设有氢钠分离过滤网(19)，以用于过滤悬浮于氢气中的金属钠微粒，阻止金属钠微粒进入氢气储存室；

所述氢气储存室(16)上还设有压力传感器(11)，且压力传感器(11)与车载控制器连接，用于测量氢气储存室内的氢气的储量与压力；

所述氢气储存室(16)顶部还设有为氢能源动力汽车提供氢气源的氢气燃料输出口(4)；氢气燃料输出口(4)上设有氢气输送控制阀(9)，所述氢气输送控制阀(9)与车载控制器连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，其特征在于，所述氢钠分离过滤网(19)为金属丝编织的筛网。

8.根据权利要求1所述的一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，其特征在于，还包括搅拌装置，所述搅拌装置，包括：搅拌电机(10)以及安装在搅拌电机输出轴上的搅拌转盘(20)；

所述搅拌电机(10)设于氢气储存室(16)顶部，所述搅拌电机(10)与车载控制器连接；

所述搅拌电机(10)的输出轴依次穿过氢气储存室(16)、进入至置换发生容器(1)，输出轴末端固接有搅拌转盘(20)；

所述搅拌电机(10)的输出轴与氢气储存室(16)顶部之间设有密封圈。

9.根据权利要求8所述的一种用于氢能源动力汽车的载钠置换氢气燃料发生器，其特征在于，所述搅拌转盘(20)圆形盘状结构，搅拌转盘(20)上均匀布设有多个通孔，在所述搅拌转盘(20)底面上设有沿中心轴周向均与分布有垂直的搅拌棒，所述搅拌棒为柱状结构，当搅拌转盘(20)在转盘转动过程中盘面安装的搅拌棒刺破液态金属钠表面沸腾的气泡释放氢气。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种用于氢能源动力汽车的载纳置换氢气燃料发生器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过钠原料入口(3)向置换发生容器(1)投入钠金属原料(14)，根据充填的钠金属原料(14)的数量，控制储水系统的注水泵(6)启动，同时控制注水泵(6)的流量；

2)液面位置传感器(18)采集到置换发生容器(1)内的氢氧化钠的水溶液的液位信息发送至车载控制器，以使车载控制器通过监控氢氧化钠的水溶液的液位信息获取到钠金属原料(14)的消耗量，钠金属原料(14)消耗完毕后，关闭储水系统的注水泵(6)工作；

3-1)压力传感器(11)采集到氢气储存室(16)的氢气压力值后发送至车载控制器，以使车载控制器获取当前氢气储存室(16)内压力值，即氢燃料的储量；当氢气储存室(16)内的氢气压力低于设定阈值时，执行步骤1)—步骤2)，使氢气压力达到阈值；

3-2)当压力传感器(11)采集到氢气储存室(16)的氢气压力值达到预设的上限值时，根据氢能源动力汽车的氢燃料需求量，氢气输送控制阀(9)打开并输送氢燃料；氢气输送完成后，控制氢气输送控制阀(9)调节或关闭；

3-3)当置换发生容器(1)内进行反应过程中，温度传感器(24)采集置换发生容器(1)内的工作温度，当工作温度高于金属钠熔点时，启动搅拌电机(10)，粉碎漂浮在液化的金属钠表面包裹氢气的气泡释放氢气；

3-4)当置换发生容器(1)内进行反应过程中，温度传感器(24)采集置换发生容器(1)内的温度高于设定的冷却报警阈值，表示水箱(2)无法进行冷却，关闭注水泵(6)并向终端报警；

4)液面位置传感器(18)采集到置换发生容器(1)内氢氧化钠溶液的液位高度达到设定值，在置换发生容器(1)重新装载金属钠原料前抽取氢氧化钠溶液时，打开管道阀门(8)，并通过氢氧化钠溶液管道(13)排出氢氧化钠的水溶液。

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