利用金属储氢材料氢能发电系统的制作方法

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种利用金属储氢材料氢能发电系统。

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，密闭系统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系统。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，其系统能量转换率变低，发电机发电量较小，实际推广价值有限。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用金属储氢材料氢能发电系统，以氢气、氮气等为循环工质，利用金属储氢材料的吸氢/放氢特性产生的压力差，推动活塞上下运动，驱动膨胀机做功发电，充分利用大自然能量，有利于节能减排和创造经济效益。

本发明的技术方案是：利用金属储氢材料氢能发电系统，包括膨胀机、发电机和氢气缓冲罐，发电机与膨胀机轴连接，发电接连接到外部电网和/或蓄电池。系统包括至少一台气缸、蓄热器和蓄冷器，气缸包括上端盖、下端盖和缸体，缸体设有做功氢气入口、做功氢气出口、氮气进口和氮气出口，做功氢气入口、做功氢气出口设有阀门。做功氢气出口连接到膨胀机的氢气入口，膨胀机的氢气出口通过氢气缓冲罐连接到做功氢气入口。缸体的内部设有上活塞和下活塞，上活塞和下活塞将缸体分为可伸缩的上氢气腔、氮气腔和下氢气腔。上端盖设有上氢气出口和上氢气入口，下端盖设有下氢气出口、下氢气入口。上氢气腔的上部设有格栅，格栅的上部装有金属储氢材料，下氢气腔的下部设有格栅，格栅的下部装有金属储氢材料。上氢气出口分别连接到蓄热器和蓄冷器，连接管路设有阀门，蓄热器和蓄冷器通过上氢气循环泵连接到上氢气入口，蓄热器）和蓄冷器出口分别设有阀门。下氢气出口分别连接到蓄热器和蓄冷器，连接管路设有阀门，蓄热器和蓄冷器通过下氢气循环泵连接到氢气入口，蓄热器和蓄冷器出口分别设有阀门。

蓄热器和蓄冷器替换为涡轮增压机，述气缸为四台。每台气缸的上氢气出口通过涡轮增压机和氢气循环泵分别连接到其余三台气缸的下氢气入口，每台气缸的下氢气出口通过涡轮增压机和氢气循环泵分别连接到其余三台气缸的上氢气入口。氮气进口和氮气出口）与氮气循环系统连接，氮气循环系统设有空分设备、氮气储罐、氮气缓冲罐和氮气循环泵。系统设有氮气保护罩，氮气保护罩设有可燃气体报警器和氮气稳压罐。氮气保护罩加装内保温或/和外保温，设备加装外保温或夹层保温，管道加装内保温或外保温或内外保温。

金属储氢材料包括但不限于稀土系金属储氢材料，也可以是多种物质的混合物，金属储氢材料至少应为1倍的当量（1倍的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），但也可以为多倍当量，以增加吸放氢的速度。允许金属储氢材料和/或包括但不限于氢气的循环介质中增加固体、液体、气体物质，起催化剂作用，从而稳定地增加吸放氢速度，或提高金属储氢材料吸氢的百分比或金属储氢材料放氢的百分比，或改变金属储氢材料的P-C-T曲线。气缸（1）上下金属氢化物的品种可以不一样，也可以一样。

氮气稳压罐有三种结构，分别为常规结构、水平结构和吊顶结构。采用水平结构时浮体增加包括但不限于弹簧的必要装置一方面能保证氮气稳压罐内压力波动时浮体的左右自由移动，另一方面能保证浮体的左右的压力均为大气压力。采用吊顶结构时，氮气稳压罐内的浮体增加包括但不限于弹簧的必要装置，浮体的重量全部压在弹簧上，弹簧一方面能保证氮气稳压罐内压力波动时浮体的上下自由移动，另一方面能保证氮气稳压罐内的内外压力均为大气压力。浮体与氮气稳压罐内壁严格密封，保证内部气体无泄漏。随着气体排出过程中浮体跟随变化，以确保氮气稳压罐内压力为0.1MPa附近或高于0.1MPa。尽可能使氮气稳压罐内的浮体保持平稳，减少不必要的能量损耗。

利用金属储氢材料氢能发电系统应用于发电厂发电，也可以用于汽车发动机驱动汽车行驶，或用于手机、家用电器等设备的动力芯片，给以上设备提供动力能源，汽车使用时给汽车提供动力，供汽车行驶，汽车停在停车位时，利用金属储氢材料氢能发电系统继续工作发电，所发电通过倒充电桩发电上网。手机、家用电器使用时给手机、家用电器提供电能，供手机、家用电器使用，不使用手机、家用电器时连上电网，继续发电进行倒充电，由于安装在汽车、手机、家用电器上的利用金属储氢材料氢能发电系统能提供能量，因此在以上设备附近可以安装云计算微型站、大数据平台基站、通讯微型基站，使信息传递更快捷更方便。汽车具备物流和移动基站功能，汽车之间的信息传递通过光纤或车载基站实现。停车场每个汽车停车位附近跟能联网组成管廊，形成但不限于互联网、物联网，实现快递物流或各种气体，例如氢气、二氧化碳、惰性气体等的输送，管廊中设置电缆、光纤，进行能量和信息传递。能联网可以是单个管廊，管廊设置有电缆、光纤，进行能量和信息传递，将汽车和家用设备产生的电能传递出去。管廊同时设置有氢气、二氧化碳和惰性气体等的输送管路，其中氢能源可以以气氢、压缩气氢、液氢、金属储氢材料的形式进行管路输送，光纤可以输送信息系统，物流传递装置在管廊中进行包裹、信函等的传递。或管廊内只是有光缆和光纤进行简单的能量和信息传递。

金属储氢材料吸放氢时采用氢气直接进入金属储氢材料进行换热，利用氢气的流动载热进行换热，也可以在金属储氢材料内设置换热盘管，进行间壁换热。活塞每分钟往复次数根据冲程数，工序数，活塞和发电气缸的尺寸，金属储氢材料当量可以任意设置，保证活塞和发电气缸之间有效润滑并严格密封。格栅能够让气体有效通过同时不让金属储氢材料散落到发电气缸内；发电气缸的位置可以任意设置，包括但不限于水平、垂直和任意角度。多个发电气缸可以组合在一起，组合的位置、方式和角度均可以任意选择。整个系统允许从环境中取热，也允许向环境中散热，以满足换热时的热量匹配。允许在适当的时候，上下氢气气缸内的金属储氢材料可以被有机溶剂替代，从而使发电气缸上下都是有机溶剂，也允许在适当的时候，上氢气气缸内的金属储氢材料可以被有机溶剂替代，从而使发电气缸上部是有机溶剂，下部是金属储氢材料，也允许在适当的时候，下氢气气缸内的金属储氢材料可以被有机溶剂替代，从而使发电气缸下部是有机溶剂，上部是金属储氢材料，实施和上述类似的流程，满足发电功能，进行发电；金属储氢材料的换热既可以采用直接换热，也可以采用间壁换热。允许上下活塞采用包括但不限于铝的轻质材料制作，以减轻活塞质量，在轻质材料上允许包裹永磁铁或者是永磁铁被轻质材料包裹。允许不设置换热中心，当不设置换热中心时就需要匹配合理的发电气缸数，使各发电气缸内金属储氢材料的吸放氢的热量完全匹配，采用金属储氢材料不通过换热中心直接换热模式，即金属储氢材料吸氢放热时将热量传递给另一金属储氢材料放氢使用。这时既可以采用设置在金属储氢材料内的氢气盘管间接换热，也可以采用氢气直接进入金属储氢材料进行换热，允许在发电气缸壁上设置换热盘管，增加换热面积。如果发电气缸中的氢气有泄露，允许在氮气保护罩上设置去除装置，将泄露的氢气进行去除。允许发电气缸内外壁和活塞上下表面有绝热材料，或者是发电气缸夹层或活塞夹层内有绝热材料或中空，以减少散热。允许在金属储氢材料端加装防撞弹性材料，以使活塞可以快速回弹，增加非发电工序活塞的运行速度。在吸放氢的循环氢气之外，允许有换热循环氢气存在，换热循环氢气的量根据具体工艺要求进行调整，以满足换热速率和换热效率的需要。换热循环氢气可以在间壁换热盘管中循环，也可以直接进入金属储氢材料中进行循环换热。允许氮气被氢气、惰性气体所代替。利用了两种金属储氢材料吸放氢PCT曲线斜率不同，形成双负压，在其交汇点两侧，选择吸放氢条件形成循环，可以做成氢压机，利用大气压力使低压氢气在氢压机里形成高压，然后利用高压进行做功。

本发明利用金属储氢材料氢能发电系统通过内装上、下活塞的气缸，以氢气和氮气为工作介质，利用金属储氢材料的吸放氢作用，驱动膨胀机做功转动，带动发电机发电，充分利用了氢能源原理和大自然的能量，有利于节能减排和创造经济效益。将本发明金属储氢材料氢气发电装置安装在发电厂发电，也可以用于汽车发动机驱动汽车行驶，或用于手机、家用电器等设备的动力芯片，给以上设备提供动力能源，可以利用其它自然物质所携带的能量，通过工质循环驱动氢气往复式活塞发电机发电，将大气压力转变为电能，进而驱动交通工具运行，实现绿色交通，实现节能减排。

附图说明

图1为本发明利用金属储氢材料氢能发电系统的示意图；

图2为工序1的示意图；

图3为工序2的示意图；

图4为工序3的示意图；

图5为本发明另一实施方案的示意图。

其中：1—气缸、2—格栅、3—上活塞、4—下活塞、5—膨胀机、6—上氢气循环泵、7—金属储氢材料层、8—氮气出口、9—阀门、10—上氢气腔、11—氮气腔、12—下氢气腔、13—发电机、14—氢气缓冲罐、15—氮气进口、16—氮气保护罩、17—可燃气体报警器、18—氮气稳压罐、19—蓄热器、20—蓄冷器、21—下氢气循环泵、31—上氢气出口、32—上氢气入口、33—下氢气出口、34—下氢气入口、35—做功氢气出口、36—做功氢气入口、37—涡轮增压机、38—氢气循环泵。

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。

实施例1

本发明利用金属储氢材料氢能发电系统如图1所示，包括4台气缸1、膨胀机5、发电机13、氢气缓冲罐14、蓄热器19和蓄冷器20。发电机与膨胀机轴连接，发电机连接到外部电网，膨胀机5带动发电机13运转产生电力外供。气缸1包括上端盖、下端盖和缸体，缸体设有做功氢气入口36、做功氢气出口35、氮气进口15和氮气出口8，做功氢气入口36、做功氢气出口35设有阀门9。3台气缸1的做功氢气出口35连接到膨胀机5的氢气入口，膨胀机的氢气出口通过氢气缓冲罐14连接到4台气缸1做功氢气入口36。气缸的上端盖设有上氢气出口31和上氢气入口32，下端盖设有下氢气出口33和下氢气入口34。缸体的内部设有上活塞3、下活塞4，上活塞和下活塞将缸体分为可伸缩的上氢气腔10、氮气腔11和下氢气腔12。上氢气腔10的上部设有格栅2，格栅的上部装有金属储氢材料7，金属储氢材料主要为钛铬锰。下氢气腔12的下部设有格栅2，格栅的下部装有金属储氢材料7，下部金属氢化物主要为氢化镧。上氢气出口31分别连接到蓄热器19和蓄冷器20，连接管路设有阀门9，蓄热器19和蓄冷器20通过上氢气循环泵6连接到上氢气入口32，蓄热器19和蓄冷器20出口分别设有阀门9。下氢气出口33 分别连接到蓄热器19和蓄冷器20，蓄热器19和蓄冷器20通过下氢气循环泵21连接到下氢气入口34，蓄热器19和蓄冷器20出口分别设有阀门9。系统设有氮气保护罩16，氮气保护罩16设有可燃气体报警器17和氮气稳压罐18。利用金属储氢材料氢能发电系统一旦有氢气泄露，就会被可燃气体报警器17监测到，以便停机检修，保证安全。氮气稳压罐18可以安装在氮气保护罩16的任意位置，其作用是使氮气保护罩16里面的压力与大气压力相同，并且与大气环境有效隔绝。氮气保护罩16加装内保温或外保温或内外保温，设备加装外保温，管道加装内保温或外保温或内外保温。上、下活塞3、4可以在整个气缸中自由上下移动，金属储氢材料7通过格栅2被限定在气缸1的两端，氢气可以通过格栅2进出金属储氢材料7，方便金属储氢材料吸放氢气。

本发明利用金属储氢材料氢能发电系统工作过程有3个工序，3个工序如图2、3、4所示。

工序1，如图2A所示，关闭做功氢气入口36和做功氢气出口35，打开氮气进口阀门，0.1MPa的氮气从气缸1的下左侧的氮气进口15进入气缸的氮气腔11，并在大气压的作用下推动上活塞3向上移动，上氢气腔10内的氢气压力为 0.06MPa，温度为0℃，随着上活塞3持续上移，上氢气腔10内的氢气压力逐渐增大，增大到0.08MPa后打开做功氢气出口35，然后将上氢气腔10内58.3%的氢气推出气缸并进入到膨胀机5内膨胀做功，上氢气腔10内58.3%的氢气被推出气缸后关闭做功氢气出口35使得上活塞3上部的氢气压力继续增加到0.1MPa，温度变为20℃，此时上部金属储氢材料开始吸氢并放出热量，直至上部金属储氢材料将0.1MPa、20℃的氢气吸收完全，如图2B所示，被推出气缸的氢气在膨胀机5内膨胀到0.06MPa后进入到氢气缓冲罐14中，吸氢过程中放出的热量储存在蓄热器19中。

工序2，如图3A所示，关闭做功氢气入口36和做功氢气出口35，关闭气缸1的氮气进口15阀门，打开氮气出口8阀门，并打开蓄热器19的下氢气进出口阀门，在18℃下加热下部金属储氢材料放氢，产生0.11MPa的氢气，推动下活塞4向上移动，将氮气从气缸1的右上侧的氮气出口8排出，直至将氮气全部排出，如图3B所示。

工序3，如图4A所示，关闭气缸1的氮气进口15阀门和氮气出口8阀门，打开蓄冷器20的下氢气进出口阀门，打开蓄热器19的上氢气进出口阀门。此时下部金属储氢材料开始在-18℃、0.02MPa下吸氢，上、下活塞同时向下移动，当上氢气气缸10的压力变为0.025MPa时，上部金属储氢材料开始放出-20℃、0.025MPa的氢气，如图4B所示，此时下部金属储氢材料吸氢和上部金属储氢材料放氢同时进行，直至下部金属储氢材料吸氢结束和上部金属储氢材料放氢结束后，打开做功氢气入口35将氢气缓冲罐内的氢气加入到上氢气腔10内，上氢气腔10内的压力逐渐增大，当上氢气腔10内的压力增大到0.06MPa后关闭做功氢气入口35，如图4C所示。做功氢气轮流进入每个气缸，从而保证膨胀机的氢气流连续稳定。

循环重复以上工序1-工序3，进行发电。

上部金属储氢材料的吸氢压力为0.1MPa，吸氢温度20℃，放氢压力为0.025MPa，放氢温度为-20℃。下部金属储氢材料的吸氢压力为0.02MPa，吸氢温度-18℃，放氢压力为0.11MPa，放氢温度为18℃。热量通过蓄热器、蓄冷器内部换热平衡。

采用8个气缸，气缸1 的最大容积为5升，其中上部金属储氢材料的容积为0.04升, 下部金属储氢材料的容积为0.04升,气缸的有效容积为4.92升。吸放氢气循环量为0.18kg/s，每分钟气缸1 的循环运行频率为13500次。做功氢气流量为0.252kg/s,膨胀机转速3.18万rpm，功率65kW。

上活塞3、下活塞4和气缸1的尺寸可以根据工艺要求任意设置。金属储氢材料7采用的金属储氢材料包括但不限于稀土类金属储氢材料。金属储氢材料至少应为1倍的当量（1倍的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），也可以增加多倍当量，以增加吸放氢的速度。本实施例为50倍当量。金属储氢材料吸放氢时采用氢气直接进入金属储氢材料进行换热，利用氢气的流动载热进行换热，也可以在金属储氢材料内设置换热盘管，进行间壁换热。活塞每分钟往复次数根据冲程数，工序数，活塞和气缸的尺寸，金属储氢材料当量可以任意设置，保证活塞和气缸之间有效润滑并严格密封。格栅2能够让气体有效通过同时不让金属储氢材料散落到气缸内。气缸1的位置可以任意设置，包括但不限于水平、垂直和任意角度。多个气缸可以组合在一起，组合的位置、方式和角度均可以任意选择。

整个系统允许从环境中取热，也允许向环境中散热，以满足换热时的热量匹配。允许在适当的时候，上下氢气气缸内的金属储氢材料可以被有机溶剂替代，从而使气缸上下都是有机溶剂，也允许在适当的时候，上氢气气缸内的金属储氢材料可以被有机溶剂替代，从而使气缸上部是有机溶剂，下部是金属储氢材料，也允许在适当的时候，下氢气气缸内的金属储氢材料可以被有机溶剂替代，从而使气缸下部是有机溶剂，上部是金属储氢材料，实施和上述类似的流程，满足发电功能，进行发电。

金属储氢材料的换热既可以采用直接换热，也可以采用间壁换热。允许上下活塞采用铝制作，以减轻活塞质量。允许不设置换热中心，当不设置换热中心时就需要匹配合理的气缸数，使每一个气缸内金属储氢材料的吸放氢的热量完全匹配，采用金属储氢材料不通过换热中心直接换热模式，即金属储氢材料吸氢放热时将热量传递给另一金属储氢材料放氢使用。这时既可以采用设置在金属储氢材料内的氢气盘管间接换热，也可以采用氢气直接进入金属储氢材料进行换热，允许在气缸壁上设置换热盘管，增加换热面积。如果气缸中的氢气有泄露，允许在氮气保护罩16上设置去除装置，将泄露的氢气进行去除。允许气缸内外壁和活塞上下表面有绝热材料，或者是气缸夹层或活塞夹层内有绝热材料或中空，以减少散热。

允许在金属储氢材料端加装防撞弹性材料，以使活塞可以快速回弹，增加各工序活塞的运行速度。在吸放氢的循环氢气之外，允许有换热循环氢气存在，换热循环氢气的量根据具体工艺要求进行调整，以满足换热速率和换热效率的需要。换热循环氢气可以在间壁换热盘管中循环，也可以直接进入金属储氢材料中进行循环换热。允许在氢气换热循环管路上加装涡轮增压装置，以回收平衡高低压差。

实施例2

本发明利用金属储氢材料氢能发电系统另一实施方式如图5所示，包括4台气缸1、膨胀机5、发电机13、氢气缓冲罐14、涡轮增压机37。每台气缸1气缸的上端盖设有上氢气出口31和上氢气入口32，下端盖设有下氢气出口33和下氢气入口34。1号气缸的上氢气出口31通过涡轮增压机37和氢气循环泵38连接到2号、3号、4号气缸的下氢气入口34，1号气缸的下氢气出口33通过涡轮增压机37和氢气循环泵38连接到2号、3号、4号气缸上氢气入口32，连接管路设有阀门9。同样号气缸的下氢气出口33通过涡轮增压机37和氢气循环泵38连接到1号、3号、4号气缸上氢气入口32,2号气缸的上氢气出口31通过涡轮增压机37和氢气循环泵38连接到1号、3号、4号气缸的下氢气入口34，连接管路设有阀门9。3号气缸和4号气缸的连接关系与上述1号气缸和2号气缸的连接关系相同。缸体设有做功氢气入口36和做功氢气出口35，做功氢气入口36和做功氢气出口35设有阀门9。4台气缸1的做功氢气出口35连接到膨胀机5的氢气入口，膨胀机的氢气出口通过氢气缓冲罐14连接到4台气缸1做功氢气入口36。

采用金属储氢材料不通过换热中心直接换热模式，即金属储氢材料吸氢放热时将热量传递给另一金属储氢材料放氢使用，并在氢气换热流体管路上设置涡轮增压机，平衡两股流体的压力，提高设备效率。高压高温用一条线路，低压低温用另一条线路，每条线路上都设置氢气循环泵38。其它运行方式与实施例1相同。