CN109404072A - 一种金属储氢材料氢能热压做功装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属储氢材料氢能热压做功装置，包括膨胀机、发电机、空气能热压单元、氢气换热器和氢气循环泵，膨胀机与发电机轴连接。空气能热压单元为氢反应床空气能***或热压罐空气能***。空气能热压单元经氢气管路依次通过氢气循环泵和氢气换热器的管程连接到膨胀机的入口，膨胀机的出口连接到空气能热压单元，空气能热压单元的换热出口通过换热管路连接到氢气换热器的壳程入口，氢气换热器的壳程出口通过氢气循环泵连接到空气能热压单元的换热入口。本发明以氢气等为循环工质，将空气热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，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。

Description

一种金属储氢材料氢能热压做功装置

技术领域

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种金属储氢材料氢能热压做功装置。

背景技术

自然界充满着无限的常温能源，空气、海水等无限量的常温能源，具有开发潜力。地球上的能源绝大部分来自于太阳，在能源日益紧缺的今天，新的可再生绿色洁净发电技术日益受到重视。现在新能源中，水能和风能发电技术应用较为普遍，技术也较为成熟。水电开发潜力不大，而风力又过于分散，只能在一些特定区域有用，而且水能和风能发电装置投入很大，占地面积广。空气能已逐步进入人们的视野中，目前空气能热水器也得到了普遍应用，其原理就是利用空气中的热能，通过热泵加热水。但是利用空气能发电的技术非常少，技术不够成熟，难以推广应用。

授权公告号为CN202055876U，授权公告日为2011年11月30日的中国实用新型专利公开了一种新能源太阳能热力超临界低温空气能发电装置。包括吸热器、膨胀发电机组、回热器、冷却器、增压泵、制冷机及其管道附件及检测和控制装置，密闭***内有氮气或混合工质。工质经吸热器成为高压超临界流体，经膨胀发电机组做功发电成为临界状态工质，经回热器、冷却器冷凝，由增压泵压入回热器换热再进吸热器吸热形成封闭循环发电***。它也可以用于余热废热地热等中低温热源发电，工质用二氧化碳或混合工质。该实用新型专利能够将空气能转化成推动发电机组转动的动能，但是因冷却器冷凝需要耗能，其***能量转换率变低，发电机发电量较小，实际推广价值有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属储氢材料氢能热压做功装置，以氢气等为循环工质，将空气热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，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。

本发明的技术方案是：

一种金属储氢材料氢能热压做功装置，所述装置包括膨胀机、发电机、空气能热压单元、氢气换热器和氢气循环泵，所述膨胀机与发电机轴连接；所述空气能热压单元经氢气管路依次通过氢气循环泵和氢气换热器的管程连接到膨胀机的入口，膨胀机的出口连接到空气能热压单元，所述空气能热压单元的换热出口通过换热管路连接到氢气换热器的壳程入口，氢气换热器的壳程出口通过氢气循环泵连接到空气能热压单元的换热入口。

所述空气能热压单元为氢反应床空气能***或热压罐空气能***。

所述氢反应床空气能***设有氢气换热中心、空气能换热器和至少两组氢反应床组；所述氢气换热中心分为高压部分和低压部分；每个氢反应床组至少设有一台氢反应床和一台热压罐，所述氢反应床设有氢气出口、氢气入口、循环氢气出口和循环氢气入口；所述热压罐为气缸式结构，包括罐体和活塞，罐体和活塞之间设有密封材料，防止金属氢化物或氢气的泄露；所述罐体的一头设有热压氢气出口和氢气进口，罐体的侧壁设有换热氢气口和循环换热气体口，所述活塞与推杆连接，推杆上设有齿轮箱，所述齿轮箱通过减速机与电动机传动连接；所述热压罐的热压氢气出口通过氢气通道与氢反应床的氢气入口连接，氢气通道上设有阀门；所述氢反应床的氢气出口经氢气管路依次通过氢气循环泵和氢气换热器的管程连接到膨胀机的入口，膨胀机的出口经氢气回路连接到热压罐的氢气进口；所述循环氢气出口经氢气循环管路通过三通阀分为两路，一路连接到氢气换热中心的高压部分，另一路连接到氢气换热中心的低压部分，所述氢气换热中心的高压部分和低压部分经氢气循环管路通过三通阀连接到循环氢气入口，氢气循环管路设有氢气循环泵；所述热压罐的换热氢气口与空气能换热器循环连接，热压罐的循环换热气体口通过换热管路与氢气换热器的壳程循环连接，换热管路设有氢气循环泵。

所述热压罐空气能***设有氢气换热中心、空气能换热器和至少两台热压和氢反应床组合罐；所述氢气换热中心分为高压部分和低压部分；所述热压和氢反应床组合罐为为气缸式结构，包括罐体和活塞，罐体和活塞之间设有密封材料，防止金属氢化物或氢气的泄露；所述罐体的一头设有氢气出口和氢气进口，罐体的侧壁设有换热氢气口、循环氢气出口、循环氢气入口和循环换热气体口；所述活塞与推杆连接，推杆上设有齿轮箱，所述齿轮箱通过减速机与电动机传动连接；所述热压和氢反应床组合罐的氢气出口经氢气管路依次通过氢气循环泵和氢气换热器的管程连接到膨胀机的入口，膨胀机的出口经氢气回路连接到氢气进口；所述循环氢气出口经氢气循环管路通过三通阀分为两路，一路连接到氢气换热中心的高压部分，另一路连接到氢气换热中心的低压部分，所述氢气换热中心的高压部分和低压部分经氢气循环管路通过三通阀连接到循环氢气入口，氢气循环管路设有氢气循环泵；所述换热氢气口与空气能换热器循环连接，所述循环换热气体口通过换热管路与氢气换热器的壳程循环连接，换热管路设有氢气循环泵。

所述氢气换热中心内设有换热盘管，所述高压部分中的循环氢气与低压部分中的循环氢气之间通过换热盘管进行间壁换热，换热盘管上设有循环泵。

所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物；低压氢气由氢气进口进入氢反应床或热压和氢反应床组合罐，经等容热压为高压氢气，高压氢气再被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出氢气；所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐为至少一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构，允许每级氢反应床或热压和氢反应床组合罐中的每个氢反应床或热压和氢反应床组合罐内的金属氢化物的品种、质量或体积可以不一样，每级氢反应床或热压和氢反应床组合罐的吸放氢气的温度和压力可以相同或者不同。

所述空气能换热器的空气被常温或低温的固态、液态、气态的其它介质所代替；空气能换热器被合并组合为空气能换热中心；空气能可以部分被移动设备或固定设备内所包含的机械或电子装置的发热能量所代替，以降低移动设备或固定设备的温升。

所述装置安装在交通工具、移动设备、可穿戴设备或固定场所提供电能或机械能。

所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质；氢反应床或热压和氢反应床组合罐采用的高压或低压循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床或热压和氢反应床组合罐进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质，循环介质可以是气体、液体、固体，或气液固之间二二混合或三相混合循环介质，直接进入氢反应床或热压和氢反应床组合罐进行加热或移热；对氢反应床或热压和氢反应床组合罐吸氢时放出的反应热，采用换热循环介质进行移热，换热循环介质包括但不限于氢气；对氢反应床或热压和氢反应床组合罐放氢时需要的反应热，采用换热循环介质进行加热，外界的热量直接带入氢反应床或热压和氢反应床组合罐，加热循环介质包括但不限于氢气。

所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐设置有金属氢化物更换装置，将生产过程中粉化或老化的金属氢化物快速移出并更换装载新的金属氢化物，利用吸放氢间歇时间快速更换氢反应床或热压和氢反应床组合罐内的物料，也可以停机更换氢反应床或热压和氢反应床组合罐内的物料，被更换的物料可以是吸氢状态，也可以是放氢状态，也可以是吸放氢的过渡状态。

所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐设有使用过的金属氢化物抽出口和新鲜金属氢化物加入口，所述金属氢化物更换装置包括新鲜金属氢化物仓和使用过的金属氢化物仓，所述使用过的金属氢化物抽出口通过密封阀和抽出泵连接到使用过的金属氢化物仓，所述新鲜金属氢化物仓通过添加泵和密封阀连接到氢反应床或热压和氢反应床组合罐；所述金属氢化物更换装置包括但不限于采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床或热压和氢反应床组合罐内金属氢化物更换的任何方法都适用。

所述气缸式结构和推杆替换为包括但不限于重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现在吸氢压力下金属氢化物和氢气有效接触并吸放氢方便随后低压氢气进入以便进行等容热压的任何方法都适用。

所有的管道和储罐，除了换热盘管，都有内保温或外保温或内外保温。空气能热压单元可以在惰性气体保护氛围内进行操作。金属储氢材料可以被固体、液体或气体等具有吸氢能力的其他物质所代替。允许氢反应床或热压和氢反应床组合罐中的压力超过吸氢压力，允许活塞对热压氢气进行做功。所有氢反应床或热压和氢反应床组合罐的氢气出口均设有金属氢化物过滤网，防止金属氢化物被氢气流带出。

本发明金属储氢材料氢能热压做功装置以氢气等为循环工质，利用空气或工业废气余热热量，通过工质循环驱动膨胀机做功，将热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，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。将本发明安装在轮船等交通工具，可以利用海水等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，将热能转变为机械能驱动交通工具运行，实现绿色交通。通过本发明适当替换可以实现烟气等携带热能废气的余热利用，扩大应用范围。

附图说明

图1为本发明金属储氢材料氢能热压做功装置流程示意图；

图2为本发明金属储氢材料氢能热压做功装置流程详细示意图；

图3为本发明金属储氢材料氢能热压做功装置截面示意图；

图4为本发明金属储氢材料氢能热压做功装置另一实施例的流程详细示意图；

图5为氢反应床金属储氢材料更换装置图。

其中：1—氢气回路、2—膨胀机、3—发电机、4—氢气换热中心、5—换热氢气口、6—热压罐、7—电动机、8—氢反应床组、9—减速机、10—氢气循环管路、11—氢气循环泵、12—热压氢气出口、13—齿轮箱、14—氢气管路、15—空气能换热器、16—换热氢气口、17—推杆、18—氢气出口、19—热压和氢反应床组合罐、20—氢气入口、21—阀门、22—氢气换热器、23—新鲜金属储氢材料仓、24—使用过的金属储氢材料仓、25—空气能热压单元、26—活塞、27—换热管路、28—空气能输入口、29—循环氢气出口、30—循环氢气入口、31—氢气进口、32—罐体、33—氢气通道、34—循环换热气体口、35—氢反应床、36—使用过的金属储氢材料抽出口、37—新鲜金属储氢材料加入口、38—密封阀、39—添加泵、40—抽出泵、41—循环换热口、42—低压部分、43—高压部分、44—三通阀。45—氢反应床组气能***、46—换热管路、55—热压罐空气能***。

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

本发明金属储氢材料氢能热压做功装置如图1-图3所示，包括膨胀机2、发电机3、氢气换热中心4、空气能换热器15和三组氢反应床组8。每组氢反应床组包含一个氢反应床和一个热压罐，即：A1-A2氢反应床组、B1-B2氢反应床组和C1-C2氢反应床组，每个氢反应床A1、B1和C1都添有金属氢化物。氢气换热中心4分为高压部分43和低压部分42。膨胀机2和发电机3轴连接，发电机发的电并入电网外供。氢反应床一头设有氢气入口20和循环氢气出口29，另一头设有氢气出口18和循环氢气入口30，热压罐的中部设有循环换热口34和换热氢气口5。氢反应床组8的氢反应床和热压罐通过氢气通道33相互连接，将热压罐6的氢气输送到氢反应床中。热压罐6为气缸式结构，包括罐体32和活塞26，罐体32和活塞26之间设有密封材料。罐体32的一头设有热压氢气出口12和氢气进口31，罐体32的侧壁设有换热氢气口5和循环换热气体口34，活塞26与推杆17连接，推杆上设有齿轮箱13，齿轮箱13通过减速机9与电动机7传动连接。热压罐6的热压氢气出口12通过氢气通道33与氢反应床的氢气入口20连接，氢气通道33上设有阀门21。氢气出口18经氢气管路14通过氢气循环泵11、氢气换热器22的管程连接到膨胀机2入口，膨胀机2出口经氢气回路1通过阀门21连接到热压罐6的氢气进口31。循环氢气出口29通过氢气循环管路10连接到三通阀44，三通阀44一路出口连接到氢气换热中心4的高压部分43，一路连接到低压部分42。高压部分43和低压部分42经三通阀44和氢气循环管路10连接到循环氢气入口30，氢气循环管路10设有氢气循环泵11。每台热压罐6的循环换热口34通过换热管路27与氢气换热器22的壳程循环连接，换热管线27上设有氢气循环泵11。换热氢气口5与空气能换热器15循环连接，空气能换热器15设有与大气连通的空气能输入口和空气能输出口。

当氢反应床处于高压吸氢操作时，该氢反应床的循环氢气出口29通过三通阀44切换连通到氢气换热中心4的高压部分43。当氢反应床处于低压放氢操作时，该氢反应床的循环氢气出口29通过三通阀44切换连通到氢气换热中心4的低压部分42；高压部分中的循环氢气与低压部分中的循环氢气之间通过换热盘管进行间壁换热。

本发明金属储氢材料氢能热压做功装置的运行方式为：如图1所示，0.2MPa、-104.6℃，流量0.236kg/s的氢气进入膨胀机2的入口，在膨胀机2内膨胀做功，输出功率为100kW，膨胀机出口0.12MPa、-131.2℃的氢气进入空气能热压单元25进行等容热压和氢反应床吸/放氢过程，氢气经过空气能热压单元25后升温升压到15℃，0.2MPa；从空气能热压单元25出来的0.2MPa、15℃、0.236kg/s的氢气进入氢气换热器22的管程，由壳程的循环换热氢气将热量带出输入到各个热压罐，0.2MPa、15℃的氢气降温到0.2MPa、-104.6℃进入膨胀机2的入口循环做功。空气能热压单元25内0.12MPa、-131.2℃、0.236kg/s的氢气被加热到15℃分两步进行，第一步由氢气换热器22的循环换热氢气在氢反应床内等容热压到-13.2℃、0.184MPa，换热量约为429kW，第二步由空气进一步等容热压到15℃、0.22MPa。然后15℃、0.22MPa的氢气在空气能热压单元内被金属储氢材料吸收，再由吸氢后的金属储氢材料持续稳定地放出15℃、0.2MPa的氢气并送出空气能热压单元25，完成图1所示的循环。

如图2所示，设定空气温度为20℃，采用稀土类金属储氢材料，利用金属储氢材料的吸氢、放氢功能，通过多个氢反应床的间歇切换操作，进行交替等容热压、吸氢、放氢的过程，使得0.12MPa、-131.2℃、0.236kg/s的氢气连续进入，0.2MPa、15℃、0.236kg/s的氢气连续排出，通过膨胀机2进行做功循环。

下面详细叙述图2中三个氢反应床和三个热压罐的切换操作过程：

1.首先打开热压罐A2的氢气进口31的阀门，关闭热压罐A2的其余阀门，将膨胀机2出口的0.12MPa、-131.2℃的氢气充入热压罐A2中。充入完成后，关闭热压罐A2的氢气进口31的阀门。

2.通过氢气换热器22的循环换热氢气加热热压罐A2中的氢气，等容热压到0.184MPa、-13.2℃后，再打开换热氢气口5的阀门，通过空气能换热器15的循环换热氢气等容热压到0.22MPa、15℃后，关闭换热氢气口5的阀门。此时氢反应床A1中金属储氢材料放氢结束，氢反应床A1内氢气压力为0.2MPa。

3.打开热压罐A2的氢气通道33的阀门21，开启电动机7，通过减速机9带动齿轮箱13推动推杆17向上移动，将热压罐A2中等容热压到0.22MPa、15℃的氢气逐步加入到氢反应床A1中。加入的0.22MPa、15℃氢气在氢反应床A1中被金属氢化物吸收，控制氢气加入氢反应床A1的速度与氢反应床A1中氢气被金属氢化物吸收的速度相同，从而保证氢反应床A1中的压力稳定在0.22MPa持续反应完成吸氢过程，同样由于热压罐A2内氢气被活塞26逐渐推出，热压罐A2中的压力也稳定在0.22MPa，在氢反应床A1内吸氢反应进行的同时，打开氢反应床A1的循环氢气出口29和循环氢气入口30并切换连通到氢气换热中心4的高压部分，通过循环换热氢气与氢气换热中心4的低压部分进行换热，将吸氢反应放出的热量转移出去。在这个过程中，为了有利于***平衡，允许氢气循环管路10上面的氢气循环泵11短暂关闭。氢反应床A1在金属储氢材料吸氢时温度始终维持在15℃附近，氢气换热中心4的温度始终维持在15℃附近。

4.当氢反应床A1中的金属储氢材料在0.22MPa，15℃附近吸氢饱和后，开启高压氢气出口18的阀门，放出氢气；同时将氢反应床A1的循环氢气出口29和循环氢气入口30切换连通到氢气换热中心4的低压部分，通过换热循环氢气加热氢反应床A1中的已吸氢饱和的金属储氢材料，持续放出0.2MPa，15℃的氢气，并经由氢气管路14将0.2MPa，15℃的氢气送出空气能热压单元25。

5.在氢反应床A1进行操作4的同时：热压罐A2开启氢气进口31的阀门，关闭热压罐A2其余的阀门，将膨胀机出口来的0.12MPa、-131.2℃的氢气充入热压罐A2中。氢气充入完成后，热压罐A2关闭氢气进口31的阀门，通过氢气换热器22的循环换热氢气加热热压罐A2中的氢气，等容热压到0.184MPa、-13.2℃后。再打开热压罐A2的换热氢气口5的阀门，通过空气能换热器15的循环换热氢气等容热压到0.22MPa、15℃后，关闭换热氢气口5的阀门。

6.氢反应床A1放氢完成后，关闭氢反应床A1的氢气出口18的阀门，打开热压罐A2的氢气通道33的阀门21，开启电动机7，通过减速机9带动齿轮箱13推动推杆17向上移动，将热压罐A2中等容热压到0.22MPa、15℃的氢气逐步加入到氢反应床A1中。加入的0.22MPa、15℃氢气在氢反应床A1中被金属氢化物吸收，控制氢气加入氢反应床A1的速度与氢反应床A1中氢气被金属氢化物吸收的速度相同，从而保证氢反应床A1中的压力稳定在0.22MPa持续反应完成吸氢过程，同样由于热压罐A2内氢气被活塞26逐渐推出，热压罐A2中的压力也稳定在0.22MPa，在氢反应床A1内吸氢反应进行的同时，打开氢反应床A1的循环氢气出口29和循环氢气入口30并切换连通到氢气换热中心4的高压部分，通过循环换热氢气与氢气换热中心4的低压部分进行换热，将吸氢反应放出的热量转移出去。

7.通过活塞26将氢气从热压罐A2推向氢反应床A1，达到等容热压、吸氢、放氢的稳定过程。氢反应床B1和热压罐B2以及氢反应床C1和热压罐C2进行同样的操作，同时通过三组氢反应床合理的时序安排，保证0.12MPa、-131.2℃的氢气连续稳定进入，0.2MPa、15℃的氢气连续稳定输出。

氢反应床A1处在放氢状态，氢反应床B1处在吸氢即将结束准备放氢，氢反应床C1处在正在吸氢，相应的热压罐A2是加入0.12MPa低压氢气的等容热压过程，B2、C2是将热压好的0.22MPa的氢气等压推送过程。总有一个氢反应床处在放氢状态，一个处在准备放氢状态，一个处在吸氢状态。氢反应床吸氢时放出的热量通过循环换热氢气经氢气循环管路10带入氢气换热中心4的高压部分，氢反应床放氢时需要的热量从氢气换热中心4的低压部分通过氢气循环管路10带入氢反应床，氢气换热中心4的高压部分和低压部分通过换热盘管进行间壁热量交换。设定吸氢速率是放氢速率的二分之一，因此整个吸放氢热量整体平衡。

该装置吸收空气能的热效率在15%以上。

推杆17和活塞26可以替换为重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢气从热压罐向氢反应床移动的任何方法都适用。

如图5所示，氢反应床设有金属储氢材料更换装置，使已经粉化或老化的金属储氢材料能及时更新，保证吸放氢的效率。氢反应床设有使用过的金属储氢材料抽出口36和新鲜金属储氢材料加入口37，所述金属储氢材料更换装置包括新鲜金属储氢材料仓23和使用过的金属储氢材料仓24，所述使用过的金属储氢材料抽出口36通过密封阀38和抽出泵40连接到使用过的金属储氢材料仓24，新鲜金属储氢材料仓23通过添加泵39和密封阀38连接到氢反应床的新鲜金属储氢材料加入口37。金属储氢材料更换装置或采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内金属储氢材料更换的任何方法都适用。

金属储氢材料更换的运行过程为：需要更换金属储氢材料时，先关闭新鲜金属储氢材料加入口37的密封阀38，打开使用过的金属储氢材料抽出口36的密封阀38，启动抽出泵40由氢反应床向使用过的金属储氢材料仓24输送使用过的金属储氢材料；氢反应床中使用过的金属储氢材料抽出后，关闭使用过的金属储氢材料抽出口36的密封阀38，打开新鲜金属储氢材料加入口37的密封阀38，启动添加泵39由新鲜金属储氢材料仓23向氢反应床中添加新鲜金属储氢材料，添加完后关闭新鲜金属储氢材料加入口37的密封阀38。

所有的管道和储罐，除了换热盘管，都有内保温或外保温或内外保温。

空气能可以部分被移动设备或固定设备内所包含的机械或电子装置的发热能量所代替，以降低移动设备或固定设备的温升。

空气能热压单元25可以在惰性气体保护氛围内进行操作。

金属储氢材料可以被固体、液体或气体等具有吸氢能力的其他物质所代替。

允许热压罐中的压力超过吸氢压力，允许活塞对热压氢气进行做功。

所有氢反应床的氢气出口均设有金属氢化物过滤网，防止金属氢化物被氢气流带出。

实施例2

本发明金属储氢材料氢能热压做功装置的另一种实施例如图1和图4所示，包括膨胀机2、发电机3、氢气换热中心4、空气能换热器15和三个热压和氢反应床组合罐A3、B3、C3，每个热压和氢反应床组合罐包含氢反应床和热压罐的双功能。所述膨胀机2和发电机3轴连接，发电机发的电并入电网外供。热压和氢反应床组合罐设有氢气进口31、氢气出口18、循环氢气出口29和循环氢气入口30。氢气换热中心4分为高压部分43和低压部分42。热压和氢反应床组合罐为为气缸式结构，包括罐体32和活塞26，罐体32和活塞26之间设有密封材料，防止金属氢化物或氢气的泄露。罐体32的一头设有氢气出口18和氢气进口31，罐体32的侧壁设有换热氢气口5、循环氢气出口29、循环氢气入口30和循环换热气体口34。活塞26与推杆17连接，推杆17上设有齿轮箱13，齿轮箱13通过减速机9与电动机7传动连接。氢气出口18经氢气管路14通过氢气循环泵11、氢气换热器22的管程连接到膨胀机2入口，氢气换热器22的壳程连接到每台热压和氢反应床组合罐19的循环换热气体口34。所述热压和氢反应床组合罐19的循环氢气出口29通过氢气循环管路10连接到三通阀44，三通阀44一路出口连接到氢气换热中心4的高压部分43，一路连接到低压部分42。高压部分43和低压部分42经三通阀44和氢气循环管路10连接到循环氢气入口30，氢气循环管路10设有氢气循环泵11。当热压和氢反应床组合罐19处于高压吸氢操作时，该热压和氢反应床组合罐19的循环氢气出口通过三通阀切换连通到氢气换热中心的高压部分；当热压和氢反应床组合罐19处于低压放氢操作时，该热压和氢反应床组合罐19的循环氢气出口通过三通阀切换连通到氢气换热中心4的低压部分；高压部分中的循环氢气与低压部分中的循环氢气之间通过换热盘管进行间壁换热。所述热压和氢反应床组合罐19的换热氢气口5与空气能换热器15循环连接，空气能换热器15设有与大气连通的空气能输入口和空气能输出口。

本发明金属储氢材料氢能热压做功装置的运行方式为：如图1所示，0.7MPa、-49.1℃流量0.45kg/s的氢气进入膨胀机2的入口，在膨胀机2内膨胀做功，输出功率为100kW；膨胀机出口0.5MPa、-67.1℃的氢气进入空气能热压单元25进行等容热压和氢反应床吸/放氢过程，氢气经过空气能热压单元25后升温升压到15℃，0.7MPa；从空气能热压单元25出来的0.7MPa、15℃、0.45kg/s的氢气进入氢气换热器22的管程，由壳程的循环换热氢气将热量带出输入到各个热压和氢反应床组合罐，0.7MPa、15℃的氢气降温到0.7MPa、-49.1℃进入膨胀机2的入口循环做功。空气能热压单元25内0.5MPa、-67.1℃、0.45kg/s的氢气被加热到15℃分两步进行，第一步由氢气换热器22的循环换热氢气在热压和氢反应床组合罐内等容热压到-2.7℃、0.657MPa，换热量约为388kW，第二步由空气进一步等容热压到15℃、0.77MPa。然后15℃、0.77MPa的氢气被热压和氢反应床组合罐内金属储氢材料吸收；再由吸氢后的金属储氢材料持续稳定地放出15℃、0.7MPa的氢气并送出空气能热压单元25，完成图1所示的循环。

如图4所示，设定空气温度为20℃，采用稀土类金属储氢材料加入到热压和氢反应床组合罐中，加入的稀土类金属储氢材料量约占热压和氢反应床组合罐体积的50%，利用金属储氢材料的吸氢、放氢功能，通过多个热压和氢反应床组合罐的间歇切换操作，进行交替等容热压、吸氢、放氢的过程，使得0.5MPa、-67.1℃、0.45kg/s的氢气连续进入，0.7MPa、15℃、0.45kg/s的氢气连续排出，通过膨胀机2进行做功循环。

下面详细叙述图4中3个热压和氢反应床组合罐的切换操作过程：

1.首先打开热压和氢反应床组合罐A3的氢气进口31，关闭其余阀门，将膨胀机2出口的0.5MPa、-67.1℃的氢气充入热压和氢反应床组合罐A3中，氢气充入完成后，关闭热压和氢反应床组合罐A3的氢气进口31的阀门。

2.打开热压和氢反应床组合罐A3的循环换热气体口34的阀门，通过氢气换热器22的循环换热氢气加热热压和氢反应床组合罐A3中的氢气，等容热压到0.657MPa、-2.7℃后，关闭循环换热气体口34的阀门。再打开换热氢气口5的阀门，通过空气能换热器15的循环换热氢气等容热压到0.77MPa、15℃后，关闭换热氢气口5的阀门。

3.开启电动机7，通过减速机9带动齿轮箱13推动推杆17向上移动，将热压和氢反应床组合罐A3中等容热压到0.77MPa、15℃的氢气逐步被金属氢化物吸收，控制活塞26的推进速度与热压和氢反应床组合罐A3中氢气被金属氢化物吸收的速度相同，从而保证热压和氢反应床组合罐A3中的压力稳定在0.77MPa持续反应完成吸氢过程，在热压和氢反应床组合罐A3内吸氢反应进行的同时，打开热压和氢反应床组合罐A3的循环氢气出口29和循环氢气入口30并切换连通到氢气换热中心4的高压部分，通过循环换热氢气与氢气换热中心4的低压部分进行换热，将吸氢反应放出的热量转移出去。在这个过程中，为了有利于***平衡，允许氢气循环管路10上面的氢气循环泵11短暂关闭。热压和氢反应床组合罐A3在金属储氢材料吸氢时温度始终维持在15℃附近，氢气换热中心4的温度始终维持在15℃附近。

3.当热压和氢反应床组合罐A3中的金属储氢材料在0.77MPa，15℃附近吸氢饱和后，开启高压氢气出口18的阀门，放出氢气；同时将热压和氢反应床组合罐A3的循环氢气出口29和循环氢气入口30切换连通到氢气换热中心4的低压部分，通过换热循环氢气加热热压和氢反应床组合罐A3中的已吸氢饱和的金属储氢材料，持续放出0.7MPa，15℃的氢气，并经由氢气管路14将0.7MPa，15℃的氢气送出空气能热压单元25。

4.当热压和氢反应床组合罐A3放氢完成后，热压和氢反应床组合罐A3重复进行1-3的操作。

5.热压和氢反应床组合罐B3以及热压和氢反应床组合罐C3进行上述同样的操作循环，并通过三个热压和氢反应床组合罐合理的时序安排，保证整个空气能热压单元实现0.5MPa、-67.1℃的氢气连续稳定进入，0.7MPa、15℃的氢气连续稳定输出。

热压和氢反应床组合罐A3处在放氢状态，热压和氢反应床组合罐B3处在吸氢即将结束准备放氢，热压和氢反应床组合罐C3处在正在吸氢，总有一个热压和氢反应床组合罐在放氢状态，一个处在准备放氢状态，一个处在吸氢状态。热压和氢反应床组合罐高压吸氢时放出的热量通过循环换热氢气经氢气循环管路10带入氢气换热中心4的高压部分，热压和氢反应床组合罐低压放氢时需要的热量从氢气换热中心4的低压部分通过氢气循环管路10带入热压和氢反应床组合罐，氢气换热中心4的高压部分和低压部分通过换热盘管间壁换热。设定吸氢速率是放氢速率的二分之一，因此整个吸放氢热量整体平衡。

氢反应床设有金属储氢材料更换装置，使已经粉化或老化的金属储氢材料能及时更新，保证吸放氢的效率，其金属储氢材料更换装置与实施例1相同。

所有的管道和储罐，除了换热盘管，都有内保温或外保温或内外保温。

空气能可以部分被移动设备或固定设备内所包含的机械或电子装置的发热能量所代替，以降低移动设备或固定设备的温升。

空气能热压单元25可以在惰性气体保护氛围内进行操作。

金属储氢材料可以被固体、液体或气体等具有吸氢能力的其他物质所代替。

允许热压和氢反应床组合罐中的压力超过吸氢压力，允许活塞对热压氢气进行做功。

所有热压和氢反应床组合罐的氢气出口均设有金属氢化物过滤网，防止金属氢化物被氢气流带出。

Claims (13)

1.一种金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述装置包括膨胀机（2）、发电机（3）、空气能热压单元（25）、氢气换热器（22）和氢气循环泵（11），所述膨胀机与发电机轴连接；所述空气能热压单元（25）经氢气管路（14）依次通过氢气循环泵（11）和氢气换热器（22）的管程连接到膨胀机（2）的入口，膨胀机的出口连接到空气能热压单元（25），所述空气能热压单元（25）的换热出口通过换热管路（27）连接到氢气换热器（22）的壳程入口，氢气换热器（22）的壳程出口通过氢气循环泵连接到空气能热压单元（25）的换热入口。

2.根据权利要求1所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述空气能热压单元（25）为氢反应床空气能***（45）或热压罐空气能***（55）。

3.根据权利要求2所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述氢反应床空气能***（45）设有氢气换热中心（4）、空气能换热器（15）和至少两组氢反应床组；所述氢气换热中心（4）分为高压部分（43）和低压部分（42）；每个氢反应床组至少设有一台氢反应床（35）和一台热压罐（6），所述氢反应床（35）设有氢气出口（18）、氢气入口（20）、循环氢气出口（29）和循环氢气入口（30）；所述热压罐（6）为气缸式结构，包括罐体（32）和活塞（26），罐体（32）和活塞（26）之间设有密封材料，防止金属氢化物或氢气的泄露；所述罐体（32）的一头设有热压氢气出口（12）和氢气进口（31），罐体（32）的侧壁设有换热氢气口（5）和循环换热气体口（34），所述活塞（26）与推杆（17）连接，推杆上设有齿轮箱（13），所述齿轮箱（13）通过减速机（9）与电动机（7）传动连接；所述热压罐（6）的热压氢气出口（12）通过氢气通道（33）与氢反应床的氢气入口（20）连接，氢气通道（33）上设有阀门（21）；所述氢反应床的氢气出口（18）经氢气管路（14）依次通过氢气循环泵（11）和氢气换热器（22）的管程连接到膨胀机（2）的入口，膨胀机的出口经氢气回路（1）连接到热压罐的氢气进口（31）；所述循环氢气出口（29）经氢气循环管路（10）通过三通阀（44）分为两路，一路连接到氢气换热中心（4）的高压部分（43），另一路连接到氢气换热中心（4）的低压部分（42），所述氢气换热中心（4）的高压部分（43）和低压部分（42）经氢气循环管路（10）通过三通阀（44）连接到循环氢气入口（30），氢气循环管路（10）设有氢气循环泵（11）；所述热压罐（6）的换热氢气口（5）与空气能换热器（15）循环连接，热压罐（6）的循环换热气体口（34）通过换热管路（27）与氢气换热器（22）的壳程循环连接，换热管路（27）设有氢气循环泵（11）。

4.根据权利要求2所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述热压罐空气能***（55）设有氢气换热中心（4）、空气能换热器（15）和至少两台热压和氢反应床组合罐（19）；所述氢气换热中心（4）分为高压部分（43）和低压部分（42）；所述热压和氢反应床组合罐为为气缸式结构，包括罐体（32）和活塞（26），罐体（32）和活塞（26）之间设有密封材料，防止金属氢化物或氢气的泄露；所述罐体（32）的一头设有氢气出口（18）和氢气进口（31），罐体（32）的侧壁设有换热氢气口（5）、循环氢气出口（29）、循环氢气入口（30）和循环换热气体口（34）；所述活塞（26）与推杆（17）连接，推杆上设有齿轮箱（13），所述齿轮箱（13）通过减速机（9）与电动机（7）传动连接；所述热压和氢反应床组合罐（19）的氢气出口（18）经氢气管路（14）依次通过氢气循环泵（11）和氢气换热器（22）的管程连接到膨胀机（2）的入口，膨胀机的出口经氢气回路（1）连接到氢气进口（31）；所述循环氢气出口（29）经氢气循环管路（10）通过三通阀（44）分为两路，一路连接到氢气换热中心（4）的高压部分（43），另一路连接到氢气换热中心（4）的低压部分（42），所述氢气换热中心（4）的高压部分（43）和低压部分（42）经氢气循环管路（10）通过三通阀（44）连接到循环氢气入口（30），氢气循环管路（10）设有氢气循环泵（11）；所述换热氢气口（5）与空气能换热器（15）循环连接，所述循环换热气体口（34）通过换热管路（27）与氢气换热器（22）的壳程循环连接，换热管路（27）设有氢气循环泵（11）。

5.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述氢气换热中心（4）内设有换热盘管，所述高压部分（43）中的循环氢气与低压部分（42）中的循环氢气之间通过换热盘管进行间壁换热，换热盘管上设有循环泵。

6.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物；低压氢气由氢气进口进入氢反应床或热压和氢反应床组合罐，经等容热压为高压氢气，高压氢气再被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出氢气；所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐为至少一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构，允许每级氢反应床或热压和氢反应床组合罐中的每个氢反应床或热压和氢反应床组合罐内的金属氢化物的品种、质量或体积可以不一样，每级氢反应床或热压和氢反应床组合罐的吸放氢气的温度和压力可以相同或者不同。

7.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述空气能换热器的空气被常温或低温的固态、液态、气态的其它介质所代替；空气能换热器被合并组合为空气能换热中心；空气能可以部分被移动设备或固定设备内所包含的机械或电子装置的发热能量所代替，以降低移动设备或固定设备的温升。

8.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述装置安装在交通工具、移动设备、可穿戴设备或固定场所提供电能或机械能。

9.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质；氢反应床或热压和氢反应床组合罐采用的高压或低压循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床或热压和氢反应床组合罐进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质，循环介质可以是气体、液体、固体，或气液固之间二二混合或三相混合循环介质，直接进入氢反应床或热压和氢反应床组合罐进行加热或移热；对氢反应床或热压和氢反应床组合罐吸氢时放出的反应热，采用换热循环介质进行移热，换热循环介质包括但不限于氢气；对氢反应床或热压和氢反应床组合罐放氢时需要的反应热，采用换热循环介质进行加热，外界的热量直接带入氢反应床或热压和氢反应床组合罐，加热循环介质包括但不限于氢气。

10.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐设置有金属氢化物更换装置，将生产过程中粉化或老化的金属氢化物快速移出并更换装载新的金属氢化物，利用吸放氢间歇时间快速更换氢反应床或热压和氢反应床组合罐内的物料，也可以停机更换氢反应床或热压和氢反应床组合罐内的物料，被更换的物料可以是吸氢状态，也可以是放氢状态，也可以是吸放氢的过渡状态。

11.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述氢反应床或热压和氢反应床组合罐设有使用过的金属氢化物抽出口（36）和新鲜金属氢化物加入口（37），所述金属氢化物更换装置包括新鲜金属氢化物仓（23）和使用过的金属氢化物仓（24），所述使用过的金属氢化物抽出口（36）通过密封阀（38）和抽出泵（40）连接到使用过的金属氢化物仓（24），所述新鲜金属氢化物仓（23）通过添加泵（39）和密封阀（38）连接到氢反应床或热压和氢反应床组合罐；所述金属氢化物更换装置包括但不限于采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床或热压和氢反应床组合罐内金属氢化物更换的任何方法都适用。

12.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所述气缸式结构和推杆（17）替换为包括但不限于重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现在吸氢压力下金属氢化物和氢气有效接触并吸放氢方便随后低压氢气进入以便进行等容热压的任何方法都适用。

13.根据权利要求3或4所述的金属储氢材料氢能热压做功装置，其特征是：所有的管道和储罐，除了换热盘管，都有内保温或外保温或内外保温；空气能热压单元（25）可以在惰性气体保护氛围内进行操作；金属储氢材料可以被固体、液体或气体等具有吸氢能力的其他物质所代替；允许氢反应床或热压和氢反应床组合罐中的压力超过吸氢压力，允许活塞对热压氢气进行做功；所有氢反应床或热压和氢反应床组合罐的氢气出口均设有金属氢化物过滤网，防止金属氢化物被氢气流带出。