氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系統的製作方法

2023-10-17 08:52:54

專利名稱：氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種新型發電系統，具體地說是一種"氫氣一^S成金屬熱電 直接轉換器"的發電系統，用於動力能源領域。(二) 背景技術氫在自然界中是最為普遍的元素，它主要以化合物的形態貯存於水裡面， 而水是地球上最豐富的物質。據推算，如果把海水中的氫全部提取出來，它所 產生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9 000倍！除了核燃料外， 氫的發熱值是所有燃料發熱值中最高的，為142 351kJ/kg,是汽油發熱值的3 倍。其燃燒性能好，與空氣混合時可燃範圍在4% -75%,燃點高，燃燒速度 快。而且，氫氣與氧氣燃燒後的產物為水，通過電解水等手^:又可以獲得氫， 這樣就可以形成可持續的能量利用循環。今天，隨著能源形勢的越來越嚴峻，人們對氫能越來越青睞。人們在試驗 將氫能轉化為電能、熱能，製造氫能汽車、船舶、摩託車、自行車。目前，作為化工原料利用的氫氣佔氫氣總產量的60%,還有相當部分的氫 氣應用於電子產品加工等領域。氫能利用方式主要有三種。其一，利用氫的熱核反應^L出核能，這是核能利用的重要途徑。 其次，就是最為普遍的氫氣直接燃燒產生熱能，在熱力發動機中產生機械 功，如氫氣發動機。德國寶馬汽車公司就一直致力於研發以氫氣為燃料的汽車 發動機，並且已經推出了樣車進行運行試驗。另外一種就是製造氫能燃料電池，比如，德國的奔馳汽車公司對於氫能燃 料電池汽車情有獨鍾。迄今，氫燃料電池汽車已經完成或正在進行多個商業示 範。燃料電池是一種直接通過電化學反應將燃料的化學能轉化成電能的發電裝 置。與傳統電池的概念不同，燃料電池不需要充電，只要在它的陽極側連續輸 入氫氣等燃料，再在陰極側通入氧化劑氣體(如空氣或氧氣)，電能就能源源不 斷地輸出來了。鹼金屬熱電直接轉換器(AMTEC )是一種將石成金屬(鉀、鈉)作為工作介質 的能量轉換技術。它以陶瓷材料|3 " -A1203為離子選擇性滲透膜。AMTEC可直接 將太陽能、外部燃燒、放射性同位素、反應器熱源和餘熱產生的熱能轉換成電 能。石鹹金屬工質(液態或氣態)在封閉循環系統中運行，其轉換過程特點為等溫 膨脹/壓縮，等壓加熱，因此可獲得高效率。另外AMTEC具有潔淨無噪聲、設備 結構緊湊、維護量小、適合分散布置的特點。因此既可以在火電站的前置循環 使用，也可單獨作為熱電站的發電機組用於工業發電，而且也可用於水下潛器 作為安靜型高能量密度的發電設備，和民用運輸工具。
發明內容
本發明的目的在於提供一種鹼金屬熱電直接轉換器將氫氣燃燒後放出的高 品位熱能直接轉化為電能，提高熱能一電量轉化的總效率的氫氣-鹼金屬熱電直 接轉換器組合發電裝置。
本發明的目的是這樣實現的
本發明主要包括鹼金屬熱電直接轉換器A、冷卻器B、氫氣燃燒室C、熱控 裝置D、儲氫罐E和儲氧罐F;儲氬罐E和儲氧罐F通過管路連接氫氣燃燒室C, 氫氣燃燒室C內部有氬氣噴嘴1和氧氣噴嘴2,通過這兩個噴嘴將燃料噴入到 氫氣燃燒室C中，在氫氣燃燒室C中燃料混合、燃燒並放出高品位的熱能，氫 氣燃燒室C通過熱控裝置D與鹼金屬熱電直接轉換器A的熱端連接、將高品位 的熱能傳遞到鹼金屬熱電直接轉換器A的熱端，鹼金屬熱電直接轉換器A將熱 能轉化為電能向外輸出。
本發明還可以包括
1 、在儲氫罐E和儲氧罐F與氫氣燃燒室C的連接管路上設置有負責控制氫 氣、氧氣的流量和兩者的混合比例的控制閥門。
2、 所述的鹼金屬熱電直接轉換器A為一個。
3、 所述的鹼金屬熱電直接轉換器A為2-5個，各鹼金屬熱電直接轉換器A 並列設置。
4、 在鹼金屬熱電直接轉換器A冷端設置冷卻器B,冷卻器中的冷卻介質通 過閥門a3的控制通過冷卻器入口 5進入到冷卻器並從冷卻器出口 5流出，並在 外部泵的驅動下循環。5、所述熱控裝置D主要由多孔層12、導熱層IO、絕熱層9組成，多孔層 12內填充有高導熱係數的導熱工質，岡門al、和閥門a2控制導熱工質通過導 熱工質進口 3和導熱工質出口 4流進、流出，並在外部泵的驅動下完成控制磁、 金屬熱電直接轉換器A熱端溫度，多孔層12與導熱層10緊緊相連，裡面充滿 具有高導熱係數的導熱介質。本發明提出了 一種氳氣發電系統，該系統利用鹼金屬熱電直接轉換器將氫 氣燃燒後放出的高品位熱能轉化為電能。鹼金屬熱電直接轉換器是一種具有熱 電高轉化效率的裝置。儲氫罐E和儲氧罐F為本發明系統提供原料的存儲。儲氫罐E和儲氧罐F 通過管路連接氫氣燃燒室C。在該連接管路上可有兩個控制閥門負責控制氫氣、 氧氣的流量和兩者的混合比例。氫氣燃燒室C內部有氫氣噴嘴1和氧氣噴嘴2。通過這兩個噴嘴將燃料噴 入到氫氣燃燒室C中，在此燃料混合、燃燒並放出高品位的熱能。高品位的熱 能通過熱控裝置D傳遞到鹼金屬熱電直接轉換器A的熱端。最終鹼金屬熱電直 接轉換器A將熱能轉化為電能向外輸出。此處鹼金屬熱電直接轉換器A可根據 實際情況和本系統尺寸大小選擇單個的個體或一集成，如本說明案例中的A1 、 A2和A2 。為了降低鹼金屬熱電直接轉換器A冷端的溫度，本發明系統使用了冷卻器。 該冷卻器中的冷卻介質可通過閥門a3的控制通過入口 5進入到冷卻器並從出口 5流出，並在外部泵的驅動下完成循環。為了確保鹼金屬熱電直接轉換器A穩定工作，其工作效率不受氫氣燃燒室 C內燃燒情況的影響。本發明系統用熱控裝置D連接氫氣燃燒室C和石威金屬熱 電直接轉換器A。熱控裝置D主要由多孔層12、導熱層IO、絕熱層9組成。多 孔層12內填充有高導熱係數的導熱工質。閥門al、和閥門a2可以控制這些導 熱工質通過進口 3和出口 4流進、流出。並在外部泵的驅動下以完成控制鹼金 屬熱電直接轉換器A熱端溫度的目的。多孔層12與導熱層10緊緊相連，裡面 充滿了具有高導熱係數的導熱介質，從可以進行熱量高效的傳導。最後絕熱層 9可降低熱量的散失，避免不必要的能量損失。本發明優點在於(1 )使用了具有高效率的熱電轉換裝置一一鹼金屬熱電直接轉換器，以提
高本發明系統整體的效率
(2 )使用了燃燒熱值是汽油3倍的氫氣作為燃料，保證足夠的熱能。 (3)使用了熱控裝置，保證了鹼金屬熱電直接轉換器熱端溫度的穩定，確
保了鹼金屬熱電直接轉換器工作的平穩性。
(四)


圖1是本發明的氫氣-石鹹金屬熱電直接轉換器發電系統示意圖。 圖2是本發明的具體連接方式示意圖。
(五)
具體實施例方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述 結合圖1和圖2。
本發明主要由6部分組成鹼金屬熱電直接轉換器A、冷卻器B、氫氣燃燒 室C、熱控裝置D、儲氫罐E和儲氧罐F。
燃料氫氣和氧氣分別存儲在儲氫罐E和儲氧罐F中。氫氣和氧氣經管路連 接可到達氫氣燃燒室C。
氫氣燃燒室C由氫氣燃燒空間14、防熱材料13、氫氣噴嘴1、氧氣噴嘴2 和點火器15共同組成。其中氫氣燃燒空間14為燃料燃燒提供空間，防熱材料 13為了減少燃燒室空間的熱量損失。燃料氫氣和氧氣分別通過氫氣噴嘴1和氧 氣噴嘴2噴入到氫氣燃燒空間14中，經點火器l5點火燃燒後放出高位品的熱 量。可在兩燃料噴嘴的上遊管路通過設置閥門分別控制兩種燃料的流量和兩種 燃料混合的比例。
熱控裝置D負責向i成金屬熱電直接轉換器A傳遞熱量和保證其熱端穩定的 溫度。熱控裝置D主要由絕熱層9、導熱層10和多孔層12組成。其中絕熱層9 的作用是隔絕冷卻器B和石成金屬熱電直接轉換器A熱端。導熱層10內充滿傳熱 介質，要求是傳熱介質的導熱係數要高，其作用是將來自於氫氣燃燒室C的熱 量高效的傳遞給鹼金屬熱電直接轉換器A 。
多孔層12由多孔介質組成，內部填充了高效導熱介質。該高效導熱介質可通過 進口 3和出口 4在多孔層內進入、出入，並在外部泵的驅動下進^"循環。在進 口和出口處分別設置兩個閥門al和a2用來控制導熱介質的進出，進一步控制 溫度。熱控裝置D控制溫度的過程當鹼金屬熱電直接轉換器A熱源端的溫度穩 定時，關閉閥門al和a2，使多孔層12內的導熱介質處於封閉的空間。此時的 多孔層12作用相當於導熱層，只是負責熱量的傳導；當鹼金屬熱電直接轉換器 A熱源端的溫度過高時，多孔層12由於是多孔結構，可以延緩溫度突變傳遞的 時間。利用這段時間，先打開閥門al,再打開閥門a2,並在外部泵的驅動下， 使導熱工質進行循環。由外部溫度較低的導熱工質進入到多孔層12內因此多孔 層12內的導熱工質的溫度會降低，從而減少向鹼金屬熱電直接轉換器A傳遞的 熱量；當鹼金屬熱電直接轉換器A熱源端的溫度過低時，同樣由於多孔具有蓄 熱性，仍然可以向當石威金屬熱電直接轉換器A傳遞一定的熱量，為調節氫氣燃 燒室內的燃燒情況提供時間。鹼金屬熱電直接轉換器A的工作不僅熱端需要一定的溫度保證，其冷端也 有溫度要求。本發明可用冷卻器B降低鹼金屬熱電直接轉換器A的冷端溫度。 冷卻器B中的冷卻介質通過進口 5和出口 6進出冷卻器，閥門a3用來控制冷卻 介質的流量，進而控制冷卻效果。本發明中的鹼金屬熱電直接轉換器A可以根據實際情況選擇或是一單體， 或是一集成。圖中就是集成形式。鹼金屬熱電直接轉換器A熱端有固定法蘭11 用於與固定板8固定。另 一側冷端則有鹼金屬熱電直接轉換器電極接頭，用來 向外進行電能輸出。集成間可根據實際情況選擇或是並聯或是串聯。
權利要求
1、一種氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系統，主要包括鹼金屬熱電直接轉換器(A)、冷卻器(B)、氫氣燃燒室(C)、熱控裝置(D)、儲氫罐(E)和儲氧罐(F)；其特徵是儲氫罐(E)和儲氧罐(F)通過管路連接氫氣燃燒室(C)，氫氣燃燒室(C)內部有氫氣噴嘴(1)和氧氣噴嘴(2)，通過這兩個噴嘴將燃料噴入到氫氣燃燒室(C)中，在氫氣燃燒室(C)中燃料混合、燃燒並放出高品位的熱能，氫氣燃燒室(C)通過熱控裝置(D)與鹼金屬熱電直接轉換器(A)的熱端連接、將高品位的熱能傳遞到鹼金屬熱電直接轉換器(A)的熱端，鹼金屬熱電直接轉換器(A)將熱能轉化為電能向外輸出。
2 、根據權利要求1所述的氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系統，其特徵 是在儲氫罐(E)和儲氧罐(F)與氫氣燃燒室(C)的連接管路上設置有負責 控制氫氣、氧氣的流量和兩者的混合比例的控制閥門。
3、 根據權利要求2所述的氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系統，其特徵 是所述的鹼金屬熱電直接轉換器(A)為一個。
4、 根據權利要求2所述的氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系統，其特徵 是所述的》成金屬熱電直接轉換器(A )為2-5個，各鹼金屬熱電直接轉換器(A ) 並列設置。
5、 根據權利要求1-4任何一項所述的氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系 統，其特徵是在鹼金屬熱電直接轉換器(A)冷端設置冷卻器B,冷卻器中的 冷卻介質通過閥門(a3)的控制通過冷卻器入口 (5)進入到冷卻器並從冷卻器 出口 (5)流出，並在外部泵的驅動下循環。
6、 根據權利要求1-4任何一項所述的氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系 統，其特徵是所述熱控裝置(D)主要由多孔層(12)、導熱層(10)、絕熱層(9)組成，多孔層(12)內填充有高導熱係數的導熱工質，閥門(al、)和閥 門(a2)控制導熱工質通過導熱工質進口 (3)和導熱工質出口 (4)流進、流 出，並在外部泵的驅動下完成控制鹼金屬熱電直接轉換器(A)熱端溫度，多孔層(12)與導熱層(10)緊緊相連，裡面充滿具有高導熱係數的導熱介質。
7、 根據權利要求5所述的氫.氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系統，其特徵是所述熱控裝置(D)主要由多孔層(12)、導熱層(10)、絕熱層(9)組成， 多孔層(12)內填充有高導熱係數的導熱工質，閥門(al、)和閥門(a2)控制 導熱工質通過導熱工質進口 (3)和導熱工質出口 (4)流進、流出，並在外部泵 的驅動下完成控制鹼金屬熱電直接轉換器U)熱端溫度,多孔層(12)與導熱 層(10)緊緊相連，裡面充滿具有高導熱係數的導熱介質。
全文摘要
本發明提供的是一種氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器發電系統。儲氫罐(E)和儲氧罐(F)通過管路連接氫氣燃燒室(C)，氫氣燃燒室(C)內部有氫氣噴嘴(1)和氧氣噴嘴(2)，通過這兩個噴嘴將燃料噴入到氫氣燃燒室(C)中，在氫氣燃燒室(C)中燃料混合、燃燒並放出高品位的熱能，氫氣燃燒室(C)通過熱控裝置(D)與鹼金屬熱電直接轉換器(A)的熱端連接、將高品位的熱能傳遞到鹼金屬熱電直接轉換器(A)的熱端，鹼金屬熱電直接轉換器(A)將熱能轉化為電能向外輸出。鹼金屬熱電直接轉換器將氫氣燃燒後放出的高品位熱能直接轉化為電能，是一種提高熱能-電量轉化的總效率的氫氣-鹼金屬熱電直接轉換器組合發電裝置。
文檔編號H02N3/00GK101604933SQ200910072528
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月17日 優先權日2009年7月17日
發明者周春良, 張寶嶺, 鄭洪濤 申請人:哈爾濱工程大學