金属氢化物低温循环做功及制氧系统技术方案

本发明专利技术涉及一种金属氢化物低温循环做功及制氧系统，其中，金属氢化物低温循环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、氢气换热器、换热器、空气换热器、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分别通过氢气换热器和空气换热器的壳程与氢气膨胀机连接，再经氢气换热器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。本发明专利技术利用金属氢化物的吸氢/放氢特性，驱动膨胀机做功。

Low temperature cycle work and oxygen production system of metal hydride

【技术实现步骤摘要】
金属氢化物低温循环做功及制氧系统
本专利技术属于能量综合利用
，涉及一种金属氢化物低温循环做功及制氧系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种金属氢化物低温循环做功及制氧系统，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低温循环做功系统，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、氢气换热器、换热器、空气换热器、氢气膨胀机和液氢高压泵。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，液氢高压泵的出口为切换换热出口。换热器的壳程入口为切换换热进口，换热器的壳程出口分别与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。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氢气换热器的壳程入口连接，氢气换热器的壳程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膨胀机的入口连接，氢气膨胀机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与换热器的管程入口连接，换热器的管程出口与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。空气换热器内设置有氮气换热盘管和空气换热盘管，氮气换热盘管的管程入口和管程出口均设置在保护罩内，空气换热盘管的管程入口和管程出口均设置在保护罩外。进一步的，系统还包括发电机。氢气膨胀机与发电机同轴连接，发电机电路连接到外部电网和/或蓄电池。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，系统还包括储冷水箱，储冷水箱设置在保护罩的外部，并与空气换热器内的空气换热盘管连接。储冷水箱上设置有对外供冷接口。进一步的，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状态点β2吸氢放热时，进入B2金属储氢材料反应床的低于B2金属储氢材料反应床状态点β2温度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空气换热器，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状态点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状态点变为β2，B2金属储氢材料反应床的状态点变为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，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，同时，金属氢化物可以是实心或空心的。进一步的，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、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。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。根据第二方面，本申请实施例提供了另一种金属氢化物低温循环做功系统，包括氢反应床单元、氢气膨胀机、发电机、1号氢气中间罐和2号氢气中间罐，氢气膨胀机与发电机轴连接。氢反应床单元的氢反应床分别设有低压氢气进口、高压氢气出口、换热氢气入口和换热氢气出口。氢反应床单元中氢反应床的高压氢气出口经高压氢气管路连接到氢气膨胀机的入口，氢气膨胀机的出口通过低压氢气管路连接到氢反应床的低压氢气进口。其特征是：氢反应床单元中氢反应床的换热氢气出口通过三通阀分为两路，一路经换热氢气管路依次通过换热介质循环泵、1号氢气中间罐、空气换热器和三通阀连接到氢反应床的换热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属氢化物低温循环做功系统，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）、氢气换热器（3）、换热器（33）、空气换热器（14）、氢气膨胀机（18）和液氢高压泵（19）；/n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）的出口为切换换热出口（8）；所述换热器（33）的壳程入口为切换换热进口（9），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；/n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’）分别与所述氢气换热器（3）的壳程入口连接，所述氢气换热器（3）的壳程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膨胀机（18）的入口连接，所述氢气膨胀机（18）的出口与所述氢气换热器（3）的管程入口连接，所述氢气换热器（3）的管程出口与所述换热器（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；/n所述空气换热器（14）内设置有氮气换热盘管（4）和空气换热盘管（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，所述空气换热盘管（5）的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩（28）外。/n...

【技术特征摘要】
1.一种金属氢化物低温循环做功系统，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）、氢气换热器（3）、换热器（33）、空气换热器（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）的出口为切换换热出口（8）；所述换热器（33）的壳程入口为切换换热进口（9），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’）分别与所述氢气换热器（3）的壳程入口连接，所述氢气换热器（3）的壳程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膨胀机（18）的入口连接，所述氢气膨胀机（18）的出口与所述氢气换热器（3）的管程入口连接，所述氢气换热器（3）的管程出口与所述换热器（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；
所述空气换热器（14）内设置有氮气换热盘管（4）和空气换热盘管（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，所述空气换热盘管（5）的管程入口和管程出口均设置在所述保护罩（28）外。


2.根据权利要求1所述的金属氢化物低温循环做功系统，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。


3.根据权利要求1或2所述的金属氢化物低温循环做功系统，其特征是：所述系统还包括储冷水箱（6），所述储冷水箱（6）设置在所述保护罩（28）的外部，并与所述空气换热器（14）内的空气换热盘管（5）连接；所述储冷水箱（6）上设置有对外供冷接口（7）。


4.根据权利要求1所述的金属氢化物低温循环做功系统，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）状态点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）状态点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）进入空气换热器（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）的状态点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）的状态点变为β2，B2金属储氢材料反应床（2）的状态点变为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。


5.根据权利要求1所述的金属氢化物低温循环做功系统，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，同时，金属氢化物可以是实心或空心的。


6.根据权利要求1所述的金属氢化物低温循环做功系统，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、氮气、...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾鹏，
申请(专利权)人：上海柯来浦能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31