一种用于氢动能发动机车辆的水浴换热式储氢装置的制作方法

本发明涉及储氢技术领域，特别是一种用于氢动能发动机车辆的水浴换热式储氢装置。

背景技术：

燃料电池是氢能应用的重要方式之一，具有高效、环保、低噪等诸多优点，在交通运输、备用电源等领域具有良好的应用前景。目前，现有的车载储氢技术包括高压储氢、液氢储氢、金属氢化物储氢和吸附储氢等。金属氢化物储氢容器与传统压力容器相比，它的优点是：每单位体积能储存更多的氢，因此也就能够储存更多的能量。举个例子：一辆燃料电池汽车可以用5公斤氢气行驶大约500公里。一个高压容器需要122升的容积才能装下5公斤氢，而一个镁氢容器只需要46升的容积就可以装下同样重量的氢。

金属氢化物储氢的储氢压力低，安全，灵活，且体积小，是燃料电池的理想氢源。但是金属氢化物储氢也存在不足，例如金属氢化物在吸氢时会放热，现有储氢罐缺少辅助散热功能，散热速率低，导至储氢罐的温度上升、储氢合金的吸氢速率降低，因而需要利用冷水加以冷却，以提升吸氢速率；金属氢化物放氢是个吸热过程，若换热不充分，温度迅速降低，会导致金属氢化物无法快速放氢，使得无法满足燃料电池的要求，现有的换热方式多采用安装换热翅片的方式，通过在储氢罐外部设置换热翅片，增加储氢罐与环境的换热面积，提高换热效率，但是其存在的最大缺点是换热不均匀，且换热翅片与空气换热的速率远小于循环水换热的速率，从而影响储氢装置的放氢性能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种用于氢动能发动机车辆的水浴换热式储氢装置，包括：

合金储氢罐，合金储氢罐外壁周向固定有多个长条形的换热片，换热片长度方向与合金储氢罐轴线方向相同；

外壳体，外壳体内固定有水平设置的隔板，隔板将外壳体分为上层的储氢室和下层的风冷室，风冷室上开有散热口；

内壳体，固定安装在储氢室内；

换热壳体，通过固定架固定安装在内壳体中，换热壳体由内壳体后端面延伸至内壳体前端面，换热壳体内设有若干相互连通的换热腔，合金储氢罐安装在换热腔内；

水浴循环换热机构，包括安装在储氢室内的第一泵体、第二泵体及安装在风冷室内的空气换热器，第一泵体和第二泵体均具有形成单向通道的介质输入端和介质输出端；其中，第一泵体的介质输出端安装有第一供水管，第一供水管另一端伸入内壳体中且与换热腔连通，第一泵体的介质输入端安装有第一主抽水管，第一主抽水管上安装有常闭式的第一三通电磁阀，第一三通电磁阀的两个输入端分别安装有冷水抽水管和循环抽水管，冷水抽水管另一端与空气换热器的介质输出端连通，循环抽水管另一端与内壳体连通；第二泵体的介质输出端安装有第二供水管，第二供水管上安装有常闭式的第二三通电磁阀，第二三通电磁阀的两个输出端分别安装有循环供水管和换热排水管，循环供水管另一端与内壳体连通，换热排水管另一端与空气换热器的介质输入端连通，第二泵体的介质输入端安装有第二主抽水管，第二主抽水管另一端伸入内壳体中且与换热腔连通；

驱动机构，与第一泵体和第二泵体传动连接，驱动第一泵体和第二泵体同步工作。

优选地，所述换热壳体上层的换热腔顶部均设有第一进水口和第二进水口，第一供水管与各第一进水口一一连通，循环供水管与各第二进水口一一连通，换热壳体下层的换热腔底部开有出水口，换热腔上端内壁上开有两个对称的卡槽，所述合金储氢罐外壁上具有两个高度大于其他换热片并与卡槽卡接配合的换热片。

优选地，所述换热片上开有若干滤水孔，由换热片中部至其两端的滤水孔的尺寸依次增大，且第一进水口和第二进水口位于换热片中部的正上方。

优选地，所述还包括封门机构，封门机构包括竖直固定在散热口两侧的第一滑杆和第二滑杆，第一滑杆旁侧设置丝杆，丝杆下端通过第一轴座转动安装在风冷室底部，第一滑杆和丝杆上安装有螺母座，螺母座与第一滑杆滑动连接、与螺母座螺纹连接，第二滑杆上滑动安装有滑块，螺母座上固定有升降杆，散热口处设有用于启闭散热口的封板，封板两端分别与升降杆和滑块固定连接。

优选地，所述驱动机构包括安装在隔板上的电机座、第二轴座、托架和两个第三轴座，电机座上安装有驱动电机，驱动电机输出端通过联轴器安装有蜗杆，蜗杆安装在第二轴座上，蜗杆上方设有与蜗杆啮合的蜗轮，蜗轮安装减速轴上，减速轴两端分别安装在两个第三轴座上，减速轴上安装有第一锥齿轮，托架上通过轴承转动安装有第一传动轴，第一传动轴上端安装有与第一锥齿轮啮合连接的第二锥齿轮，第一传动轴与丝杆同轴设置，丝杆上端伸入储氢室且通过电磁离合器与第一传动轴连接；蜗杆另一端安装有第三锥齿轮，储氢室两侧内壁上安装有第四轴座，两个第四轴座间安装有水平设置的第二传动轴，第二传动轴上安装有第四锥齿轮、第五锥齿轮和第八锥齿轮，第三锥齿轮与第八锥齿轮啮合连接，隔板上安装有第五轴座和第六轴座，第五轴座和第六轴座上分别安装有第三传动轴和第四传动轴，第三传动轴上安装有与第四锥齿轮啮合连接的第六锥齿轮，第三传动轴另一端与第一泵体传动连接，第四传动轴上安装有与第五锥齿轮啮合连接的第七锥齿轮，第四传动轴另一端与第二泵体传动连接。

优选地，所述风冷室内安装有多个散热风扇，散热风扇将空气换热器产生热量由散热口引出。

优选地，还包括密封盖，合金储氢罐通过密封盖与换热腔密封固定连接，所述合金储氢罐包括位于换热腔内的筒身主体部和伸出外壳体的前端锥形部，密封盖与前端锥形部卡接，密封盖上设有用于将筒身主体部密封在换热腔前端的密封圈，密封盖通过螺栓安装在外壳体前端面上。

优选地，所述内壳体中安装有液位传感器和水温传感器，内壳体底部安装有加热器。

优选地，还包括放水管，放水管与内壳体和冷水抽水管连通，放水管上安装有二通电磁阀。

优选地，所述封门机构还包括用于检测封板位置的第一接近开关和第二接近开关，第一接近开关位于第二接近开关上方；第一接近开关检测到封板时，封板开启散热口，第二接近开关检测到封板时，封闭封闭散热口。

本发明的有益效果：充氢时采用循环水方式对合金储氢罐进行冷却换热，显著提高储氢罐的散热速率，进而提高储氢合金的吸氢速率；放氢时配合循环水浴对合金储氢罐进行加热，显著提高合金储氢罐的吸热速率，进而提高储氢合金的放氢速率，通过设置换热片、滤水孔，使合金储氢罐在换热壳体内与循环水均匀接触，保证均匀换热，在提高合金储氢罐放氢性能的同时也可以提高整个氢动能发动机系统的能量效率和输出功率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是充氢时水浴循环换热机构对合金储氢罐进行冷却换热的示意图；

图3是放氢时水浴循环换热机构对合金储氢罐进行加热的示意图；

图4是冷却室的散热口处的局部示意图；

图5是合金储氢罐的结构示意图；

图6是图1中a的局部放大图；

图7是本发明的正视图；

图中，1、合金储氢罐；2、换热片；3、外壳体；4、隔板；5、储氢室；6、风冷室；7、散热口；8、内壳体；9、换热壳体；10、固定架；11、换热腔；12、第一泵体；13、第二泵体；14、空气换热器；15、第一供水管；16、第一主抽水管；17、第一三通电磁阀；18、冷水抽水管；19、循环抽水管；20、第二供水管；21、第二三通电磁阀；22、循环供水管；23、换热排水管；24、第二主抽水管；25、第一进水口；26、第二进水口；27、出水口；28、卡槽；29、滤水孔；30、第一滑杆；31、第二滑杆；32、丝杆；33、第一轴座；34、螺母座；35、滑块；36、升降杆；37、封板；38、电机座；39、第二轴座；40、托架；41、第三轴座；42、驱动电机；43、蜗杆；44、蜗轮；45、减速轴；46、第一锥齿轮；47、第一传动轴；48、第二锥齿轮；49、电磁离合器；50、第三锥齿轮；51、第四轴座；52、第四锥齿轮；53、第五锥齿轮；54、第八锥齿轮；55、第五轴座；56、第六轴座；57、第六锥齿轮；58、第七锥齿轮；59、散热风扇；60、密封盖；61、密封圈；62、液位传感器；63、水温传感器；64、加热器；65、放水管；66、二通电磁阀；67、第一接近开关；68、第二接近开关；69、第二传动轴；70、第三传动轴；71、第四传动轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-7所示:一种用于氢动能发动机车辆的水浴换热式储氢装置，包括：合金储氢罐1，合金储氢罐1外壁周向固定有多个长条形的换热片2，换热片2长度方向与合金储氢罐1轴线方向相同；外壳体3，外壳体3内固定有水平设置的隔板4，隔板4将外壳体3分为上层的储氢室5和下层的风冷室6，风冷室6上开有散热口7；内壳体8，内壳体8固定安装在储氢室5内；换热壳体9，换热壳体9通过固定架10固定安装在内壳体8中，换热壳体9由内壳体8后端面延伸至内壳体8前端面，换热壳体9内设有若干相互连通的换热腔11，合金储氢罐1安装在换热腔11内；水浴循环换热机构，包括安装在储氢室5内的第一泵体12、第二泵体13及安装在风冷室6内的空气换热器14，第一泵体12和第二泵体13均具有形成单向通道的介质输入端和介质输出端；其中，第一泵体12的介质输出端安装有第一供水管15，第一供水管15另一端伸入内壳体8中且与换热腔11连通，第一泵体12的介质输入端安装有第一主抽水管16，第一主抽水管16上安装有常闭式的第一三通电磁阀17，第一三通电磁阀17的两个输入端分别安装有冷水抽水管18和循环抽水管19，冷水抽水管18另一端与空气换热器14的介质输出端连通，循环抽水管19另一端与内壳体8连通；第二泵体13的介质输出端安装有第二供水管20，第二供水管20上安装有常闭式的第二三通电磁阀21，第二三通电磁阀21的两个输出端分别安装有循环供水管22和换热排水管23，循环供水管22另一端与内壳体8连通，换热排水管23另一端与空气换热器14的介质输入端连通，第二泵体13的介质输入端安装有第二主抽水管24，第二主抽水管24另一端伸入内壳体8中且与换热腔11连通；驱动机构，与第一泵体12和第二泵体13传动连接，驱动第一泵体12和第二泵体13同步工作。

换热的循环水选用去离子水，为便于循环水进入换热腔11，在换热壳体9上层的换热腔11顶部均设有第一进水口25和第二进水口26，第一供水管15与各第一进水口25一一连通，循环供水管22与各第二进水口26一一连通，换热壳体9下层的换热腔11底部开有出水口27，换热腔11上端内壁上开有两个对称的卡槽28，合金储氢罐1外壁上具有两个高度大于其他换热片2并与卡槽28卡接配合的换热片2。通过将长度最长的两个换热片2对准并推入卡槽28内与卡槽28卡接，可限制合金储氢罐1相对换热壳体9旋转，使合金储氢罐1保持稳定。

由于合金储氢罐1中部的水量大，为保证合金储氢罐1与循环水均匀接触，在换热片2上开有若干滤水孔29，由换热片2中部至其两端的滤水孔29的尺寸依次增大，且第一进水口25和第二进水口26位于换热片2中部的正上方，这样循环水不会直接从中部的滤水孔29下落，而是会逐渐流向合金储氢罐1两端，从而使合金储氢罐1在换热腔11内与循环水均匀接触。

由于充氢时间远小于放氢使用的时间，而散热口7需在充氢时打开以散热，而在放氢时不必打开，在放氢时关闭散热口7可使外壳体3保持密封空间，避免外界杂质进入外壳体3内，同时起到保温效果，避免内部热量由散热口7排出，对合金储氢罐1温度的水浴加热起到辅助作用，因此设置了封门机构，封门机构包括竖直固定在散热口7两侧的第一滑杆30和第二滑杆31，第一滑杆30旁侧设置丝杆32，丝杆32下端通过第一轴座33转动安装在风冷室6底部，第一滑杆30和丝杆32上安装有螺母座34，螺母座34与第一滑杆30滑动连接、与螺母座34螺纹连接，第二滑杆31上滑动安装有滑块35，螺母座34上固定有升降杆36，散热口7处设有用于启闭散热口7的封板37，封板37两端分别与升降杆36和滑块35固定连接。

驱动机构包括安装在隔板4上的电机座38、第二轴座39、托架40和两个第三轴座41，电机座38上安装有驱动电机42，驱动电机42输出端通过联轴器安装有蜗杆43，蜗杆43安装在第二轴座39上，蜗杆43上方设有与蜗杆43啮合的蜗轮44，蜗轮44安装减速轴45上，减速轴45两端分别安装在两个第三轴座41上，减速轴45上安装有第一锥齿轮46，托架40上通过轴承转动安装有第一传动轴47，第一传动轴47上端安装有与第一锥齿轮46啮合连接的第二锥齿轮48，第一传动轴47与丝杆32同轴设置，丝杆32上端伸入储氢室5且通过电磁离合器49与第一传动轴47连接；蜗杆43另一端安装有第三锥齿轮50，储氢室5两侧内壁上安装有第四轴座51，两个第四轴座51间安装有水平设置的第二传动轴69，第二传动轴69上安装有第四锥齿轮52、第五锥齿轮53和第八锥齿轮54，第三锥齿轮50与第八锥齿轮54啮合连接，隔板4上安装有第五轴座55和第六轴座56，第五轴座55和第六轴座56上分别安装有第三传动轴70和第四传动轴71，第三传动轴70上安装有与第四锥齿轮52啮合连接的第六锥齿轮57，第三传动轴70另一端与第一泵体12传动连接，第四传动轴71上安装有与第五锥齿轮53啮合连接的第七锥齿轮58，第四传动轴71另一端与第二泵体13传动连接。

风冷室6内安装有多个散热风扇59，散热风扇59将空气换热器14产生热量由散热口7引出。

为便于将合金储氢罐1安装在换热腔11内，并且使合金储氢罐1的大部分都密封在换热腔11进行水浴换热，还设置了密封盖60，合金储氢罐1通过密封盖60与换热腔11密封固定连接，合金储氢罐1包括位于换热腔11内的筒身主体部和伸出外壳体3的前端锥形部，密封盖60与前端锥形部卡接，密封盖60上设有用于将筒身主体部密封在换热腔11前端的密封圈61，密封盖60通过螺栓安装在外壳体3前端面上。

内壳体8中安装有液位传感器62和水温传感器63，内壳体8底部安装有加热器64。水温传感器63检测内壳体8的水温，通过设置控制器，控制加热器64对内壳体8的循环水进行加热，优选使水温保持在50℃～80℃。

为便于排放内壳体8的循环水，还包括放水管65，放水管65与内壳体8和冷水抽水管18连通，放水管65上安装有二通电磁阀66。

封门机构还包括用于检测封板37位置的第一接近开关67和第二接近开关68，第一接近开关67位于第二接近开关68上方；第一接近开关67检测到封板37时，封板37开启散热口7，第二接近开关68检测到封板37时，封闭封闭散热口7。

本实施方案的工作原理：将合金储氢罐1安装至换热腔11时，将长度最长的两个换热片2对准并推入卡槽28内与卡槽28卡接，从而限制合金储氢罐1相对换热壳体9旋转，再将密封盖60套在合金储氢罐1上，密封盖60端口卡紧前端锥形部，密封圈61在换热腔11前端将筒身主体部密封，避免水从换热腔11与合金储氢罐1间溢出，最后再用螺栓旋入外壳体3前端面对应的螺纹孔内，从而将密封盖60固定安装在外壳体3前端面上，完成合金储氢罐1的安装；

第一三通电磁阀17和第二三通电磁阀21为常闭式的三通电磁阀，未通电时，第一三通电磁阀17打开循环抽水管19和第一主抽水管16的通路，第二三通电磁阀21打开第二供水管20和循环供水管22的通路；

充氢气时，金属氢化物在吸氢会放热，需要水浴散热降温，具体地，驱动电机42、电磁离合器49、散热风扇59、第一三通电磁阀17和第二三通电磁阀21通电工作，第一三通电磁阀17打开冷水抽水管18和第一主抽水管16的通路，第二三通电磁阀21打开第二供水管20和换热排水管23的通路，驱动电机42驱动蜗杆43、第三锥齿轮50旋转，蜗杆43带动蜗轮44、减速轴45和第一锥齿轮46旋转，第一锥齿轮46带动第二锥齿轮48、第一传动轴47、电磁离合器49、丝杆32依次转动，在第一滑杆30和第二滑杆31的导向作用下，螺母座34将丝杆32的旋转运动转化为直线运动，并带动封板37上升，第一接近开关67检测到封板37时，封板37开启散热口7，电磁离合器49断电，丝杆32与第一传动轴47不再传动；同时，第三锥齿轮50带动第八锥齿轮54、第二传动轴69转动，第二传动轴69通过第四锥齿轮52带动第六锥齿轮57、第三传动轴70转动，第三传动轴70驱动第一泵体12运行，第二传动轴69通过第五锥齿轮53带动第七锥齿轮58、第四传动轴71转动，第四传动轴71驱动第二泵体13运行，第一泵体12和第二泵体13优选柱塞泵，第一泵体12通过冷水抽水管18、第一主抽水管16抽入空气换热器14盘管内的循环水，并将循环水依次泵入第一供水管15、第一进水口25内，循环水由合金储氢罐1中部沿换热片2流向其两端，与换热片2换热，并由滤水孔29下落与合金储氢罐1中下部及其他换热片2接触换热，由于合金储氢罐1中部的水量大，因此设置换热片2中部的滤水孔29至其两端的滤水孔29的尺寸依次增大，这样，循环水不会直接从中部的滤水孔29下落，会逐渐流向合金储氢罐1两端，从而使合金储氢罐1在换热腔11内与循环水均匀接触，换热腔11相互连通，避免局部循环水不足，保证换热均匀；换热后的循环水由出水口27自然下落至内壳体8，第二泵体13通过第二主抽水管24抽入内壳体8内换热后的水，并通过第二供水管20、换热排水管23将水泵入空气换热器14盘管内，换热后的水在空气换热器14内换热冷却，散热风扇59将空气换热器14产生热量由散热口7引出，加速循环水的冷却；

在使用合金储氢罐1时，金属氢化物放氢吸热，合金储氢罐1温度迅速降低，需要水浴加热换热，保证金属氢化物处于适宜放氢温度区间，具体的，驱动电机42、加热器64、电磁离合器49通电工作，并且驱动电机42反向旋转，散热风扇59、第一三通电磁阀17和第二三通电磁阀21断电，加热器64加热内壳体8的循环水；在驱动电机42的驱动下，丝杆32反向旋转，螺母座34驱动封板37下降，第二接近开关68检测到封板37时，封板37封闭散热口7，电磁离合器49断电，外壳体3保持密封空间，避免外界杂质进入外壳体3内，同时起到保温效果，避免内部热量由散热口7排出，对合金储氢罐1温度的水浴加热起到辅助作用；第一泵体12通过循环抽水管19、第一主抽水管16抽入内壳体8内的循环水，并将循环水依次泵入第一供水管15、第一进水口25、换热腔11内，第二泵体13通过第二主抽水管24抽入内壳体8内换热后的水，并将循环水依次泵入第二供水管20、循环供水管22、第二进水口26、换热腔11内，循环水在换热腔11内与合金储氢罐1及换热片2均匀接触，换热均匀，换热后的循环水由出水口27自然下落至内壳体8，形成循环；液位传感器62检测内壳体8的水位，水位低于预设区间值时，换热效率低，则单独打开第一三通电磁阀17，通过冷水抽水管18、第一主抽水管16将空气换热器14内的循环水抽入，泵入换热壳体9中，为内壳体8补充循环水，保证足量的循环水进行换热；

当需要取出合金储氢罐1或清理内壳体8时，打开二通电磁阀66，通过放水管65将内壳体8中的水排出至空气换热器14。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。