氮气工质的金属储氢材料供能系统

摘要

本发明涉及一种氮气工质的金属储氢材料供能系统，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、氢气循环压缩机、氢气冷却器、液氮加压泵、氮气换热器、空气换热器和氮气膨胀机。利用金属储氢材料吸氢放热和放氢吸热的特性，对循环工质氮气进行换热，通过膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电。

说明书

技术领域

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种氮气工质的金属储氢材料供能系统。

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氮气工质的金属储氢材料供能系统，以氮气为循环工质，利用金属储氢材料吸氢放热和放氢吸热的特性对循环工质氮气进行换热，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氮气工质的金属储氢材料供能系统，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、氢气循环压缩机、氢气冷却器、液氮加压泵、氮气换热器、空气换热器和氮气膨胀机。

B1金属储氢材料反应床上设置有第一高压液氮进口、第一高压氮气出口、第一低压氮气进口、第一低压液氮出口、放氢出口、吸氢进口以及氮气盘管。第一高压液氮进口经氮气盘管连接到第一高压氮气出口，第一低压氮气进口经氮气盘管连接到第一低压液氮出口。

B2金属储氢材料反应床上设置有第二高压液氮进口、第二高压氮气出口、第二低压氮气进口、第二低压液氮出口、放氢出口、吸氢进口以及氮气盘管。第二高压液氮进口经氮气盘管连接到第二高压氮气出口，第二低压氮气进口经氮气盘管连接到第二低压液氮出口。

B1金属储氢材料反应床的第一低压液氮出口和B2金属储氢材料反应床的第二低压液氮出口分别与液氮加压泵的进口连接，液氮加压泵的出口分别与B1金属储氢材料反应床的第一高压液氮进口和B2金属储氢材料反应床的第二高压液氮进口连接。

B1金属储氢材料反应床的第一高压氮气出口和B2金属储氢材料反应床的第二高压氮气出口分别经氢气冷却器的壳程、氮气换热器的壳程和空气换热器的壳程，与氮气膨胀机的一级膨胀进口连接。氮气膨胀机的一级膨胀出口经氮气换热器的管程与氮气膨胀机的二级膨胀进口连接。氮气膨胀机的二级膨胀出口分别与第一低压氮气进口和第二低压氮气进口连接。氮气膨胀机与发电机同轴连接，发电机产生的电能除部分自用外，其余外供。

B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床的放氢出口分别连接到氢气循环压缩机的入口，氢气循环压缩机的出口连接到氢气冷却器的管程入口，氢气冷却器的管程出口分别连接到B1金属储氢材料反应床和B2金属储氢材料反应床的吸氢进口。

所述空气换热器内设置有空气换热盘管，所述空气换热盘管的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩外。

具体的，所述B1金属储氢材料反应床和所述B2金属储氢材料反应床之间设有内部换热循环管道和内部换热循环泵。

具体的，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、氮气；根据工况条件可以调节保护罩内的温度和压力。

具体的，所述B1金属储氢材料反应床和所述B2金属储氢材料反应床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，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，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间壁的模式。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。金属储氢材料严格限制在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滤网里，不允许任何金属储氢材料颗粒溢出到金属滤网之外。

具体的，金属储氢材料为包括但不限于温度正相关的金属储氢材料做功组合，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；温度正相关的金属储氢材料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换热使循环做功氮气升温；系统至少存在一个负压单元，或是金属储氢材料的负压，或是氮气液化的负压，或是以上负压的组合。

具体的，所述装置应用于可穿戴设备、移动设备、交通设备、固定设备、家用设备、厨房灶具、发电设备、服装鞋类、动力设备或建筑设备；或者，所述装置应用于高铁、载重汽车、军舰、飞机、航空设备、坦克、装甲车、民用船只或工程机械。

本发明公开的氮气工质的金属储氢材料供能系统，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，冷却或加热循环工质氮气，同时改变装置内循环工质氮气的压强，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装置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。柯来浦氢能定义为包括但不限于自然界的能量和本发明类似的装置相结合而产生的能量。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种氮气工质的金属储氢材料供能装置的结构示意图；

图2为实施例1中金属储氢材料对应的工作状态点图。

其中：4—B1金属储氢材料反应床，5—B2金属储氢材料反应床，6—氢气循环压缩机，7—氢气冷却器，18—氮气膨胀机，27—保护气入口，28—保护罩，29—可燃性气体报警器，30—三通阀，32—氢气换热器，33—氢气压缩机，39—第一高压液氮进口，40—第一高压氮气出口，41—第一低压氮气进口，42—第一低压液氮出口，39’— 第二高压液氮进口，40’— 第二高压氮气出口，41’— 第二低压氮气进口，42’— 第二低压液氮出口，45—空气换热器，46—空气换热盘管，50—液氮加压泵。

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。

本发明实施例提供了一种氮气工质的金属储氢材料供能装置，如图1所示，该装置包括B1金属储氢材料反应床4、B2金属储氢材料反应床5、氢气循环压缩机6、氢气冷却器7、液氮加压泵50、氮气换热器32、空气换热器45、氮气膨胀机18。

B1金属储氢材料反应床4上设置有第一高压液氮进口39、第一高压氮气出口40、第一低压氮气进口41、第一低压液氮出口42、放氢出口、吸氢进口以及氮气盘管。第一高压液氮进口39经氮气盘管连接到第一高压氮气出口40，第一低压氮气进口41经氮气盘管连接到第一低压液氮出口42。B2金属储氢材料反应床5上设置有第二高压液氮进口39’、第二高压氮气出口40’、第二低压氮气进口41’、第二低压液氮出口42’、放氢出口、吸氢进口以及氮气盘管。第二高压液氮进口39’经氮气盘管连接到第二高压氮气出口40’，第二低压氮气进口41’经氮气盘管连接到第二低压液氮出口42’。氮气膨胀机18为中间换热式两级膨胀机，设有一级膨胀进口、一级膨胀出口、二级膨胀进口、二级膨胀出口。

B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5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，用于氢介质在床层内部的循环往复以稳定操作工况。

B1金属储氢材料反应床4的第一低压液氮出口42和B2金属储氢材料反应床5的第二低压液氮出口42’分别与液氮加压泵50的进口连接，液氮加压泵50的出口分别与B1金属储氢材料反应床4的第一高压液氮进口39和B2金属储氢材料反应床5的第二高压液氮进口39’连接。

B1金属储氢材料反应床4的第一高压氮气出口40和B2金属储氢材料反应床5的第二高压氮气出口40’分别与氢气冷却器7的壳程入口连接，氢气冷却器7的壳程出口与氮气换热器32壳程入口连接，氮气换热器32的壳程出口与空气换热器45的壳程入口连接，空气换热器45的壳程出口与氮气膨胀机18的一级膨胀进口连接，氮气膨胀机18的一级膨胀出口与氮气换热器32的管程入口连接，氮气换热器32的管程出口与氮气膨胀机18的二级膨胀进口连接，氮气膨胀机18的二级膨胀出口分别与B1金属储氢材料反应床4的第一低压氮气进口41和B2金属储氢材料反应床5的第二低压氮气进口41’连接。氮气膨胀机18与发电机同轴连接，发电机产生的电能除部分自用外，其余外供。

B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5的放氢出口分别连接到氢气循环压缩机6的入口，氢气循环压缩机6的出口连接到氢气冷却器7的管程入口，氢气冷却器7的管程出口分别连接到B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5的吸氢进口。

系统设有保护罩28，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，保护罩内填充的气体为氮气，也不排除采用氢气、氦气等其他气体。保护罩和所有的管道均设置有内保温、外保温或内外保温，保护罩内压力为0.11MPa，温度为20℃。

B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5在低温低压放氢吸热时用于对从低压氮气进口进入的氮气进行冷却液化。B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5在相对高温高压吸氢放热时用于对从高压液氮进口进入其中的氮气进行升温气化处理。氮气换热器32用于B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5之间在吸放氢时冷量/热量的平衡。

B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5两者交替进行吸氢/放氢操作，两者每交替一次为一个循环切换，例如：在任一循环中，B1金属储氢材料反应床4进行吸氢操作，B2金属储氢材料反应床5在进行放氢操作；则在下一循环中，B1金属储氢材料反应床4切换进行放氢操作，B2金属储氢材料反应床5切换进行吸氢操作。B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5之间设有内部换热循环旁路，用于在每一个循环的末端两者进行切换准备时冷量/热量的交换。可使得在当前循环中进行吸氢操作的金属储氢材料反应床温度下降，从而为即将切换进行放氢操作做准备；而当前循环中进行放氢操作的金属储氢材料反应床温度上升，为即将切换进行吸氢操作做准备。

在一具体实施方式中，B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5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）。

B1金属储氢材料反应床4和B2金属储氢材料反应床5的储氢材料包括但不限于钛系金属储氢材料。具体的如图2所示，金属储氢材料为氢化钛铬，其吸氢状态点为：-160℃、1MPa，放氢状态点为：-200℃、0.1MPa。单个金属储氢材料反应床吸/放氢的平均速率均为2.5g/s，冗余当量为1.5倍，金属储氢材料的装填量为1.67L，循环切换时间为12s，即每12s切换一次，从相对高温高压（-160℃、1MPa）吸氢操作转换为低压低温（-200℃、0.1MPa）放氢操作，或从低压低温（-200℃、0.1MPa）放氢操作转换为相对高温高压（-160℃、1MPa）吸氢操作。吸氢开始时的金属储氢材料饱和度为16.5%，吸氢结束时饱和度为83.5%，放氢结束后饱和度恢复到16.5%。本系统净输出功率为5.75kW。

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，吸收氢气时放出热量，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，金属储氢材料的吸/放氢状态点参数可根据工艺需要进行任意调节。温度正相关的金属储氢材料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，或是金属储氢材料的负压，或是氮气液化的负压，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储氢材料低温放出低压氢气时吸热，将金属储氢材料产生的低温冷量用来冷却氮气做功工质进行液化。

具体的工作流程为：

B1金属储氢材料反应床4的金属储氢材料B在温度-200℃下吸收热量放出0.1MPa的氢气，放氢速率为2.5g/s；放出的氢气由氢气循环压缩机6压缩至1MPa后，经氢气冷却器7的管程冷却至-155℃送入B2金属储氢材料反应床5供其吸氢使用。同时氮气膨胀机18二级膨胀出口105.8g/s的-190.6℃、0.06MPa氮气进入B1金属储氢材料反应床4的氮气盘管内被冷却液化至-200℃。105.8g/s、-190.6℃、0.06MPa的液氮经过液氢加压泵50压缩至1.7MPa、-199.6℃后，经第二高压液氮进口39’送入B2金属储氢材料反应床5的氮气盘管。B2金属储氢材料反应床5在温度-160℃下吸收1 MPa的氢气放出热量，吸氢速率为2.5g/s；进入B2金属储氢材料反应床5氮气盘管内的高压液氮，吸收B2金属储氢材料反应床5的吸氢反应热后气化升温至-160℃；-160℃、1.7MPa、105.8g/s的高压氮气从B2金属储氢材料反应床5的第二高压氮气出口40’送到氢气冷却器7的壳程，与氢气循环压缩机6来的氢气换热后，送至氮气换热器32与氮气膨胀机18一级膨胀出口来的氮气换热后升温到-89.3℃，再进入空气换热器45与大气环境空气换热升温至20℃，升温后的氮气进入氮气膨胀机18中做功发电；氮气膨胀机18的一级膨胀出口处0.32MPa，-75.8℃的氮气送往氮气换热器32的管程换热降温至-150℃，再经氮气膨胀机18的二级膨胀进口回到氮气膨胀机18内继续做功发电，最终氮气膨胀机18的二级膨胀出口处0.06MPa，-190.7℃的氮气经第一低压氮气进口41送入B1金属储氢材料反应床4的氮气盘管内进行冷却液化；当B1金属储氢材料反应床4完成放氢并且B2金属储氢材料反应床5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5的工作流程，与上述B1金属储氢材料反应床4工作流程类似。

通过适当的形状和尺寸调整，可以将如图1所示的装置应用于可穿戴设备、移动设备、交通设备、固定设备、家用设备、厨房灶具、发电设备、服装鞋类、动力设备或建筑设备。此外，还可以将如图1所示的装置应用于高铁、载重汽车、军舰、飞机、航空设备、坦克、装甲车、民用船只或工程机械。