CN101818853A

CN101818853A - 带冷量利用的循环吸附储氢装置

Info

Publication number: CN101818853A
Application number: CN201010178215A
Authority: CN
Inventors: 冯全科; 孙硕; 徐颖; 余宾宴
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: CN101818853B

Abstract

本发明公开了一种带冷量利用的循环吸附储氢装置，包括一个换热器、一个回冷器、一个增压器和一个储氢瓶，所述换热器的副侧连通有一个冷源构成低温循环回路；该换热器的主侧与回冷器主侧串通，换热器主侧出口通过一个储氢阀连接储氢瓶；回冷器主侧进口连通增压器的出口；回冷器副侧的进口通过一个回气阀连接储氢瓶，回冷器副侧的出口连通增压器的进口，该增压器的进口还连接一个控制原料氢气的补气阀；回冷器副侧、增压器、回冷器及换热器主侧与储氢瓶构成氢气循环回路，在该氢气循环回路的增压器进口处通过一个抽气阀连接有真空系统。

Description

带冷量利用的循环吸附储氢装置

技术领域

本发明涉及一种在低温范围内实现储氢的装置。

背景技术

氢能被公认为是一种清洁的可再生能源，因此在全世界范围内得到广泛的关注。许多学者针对氢的制取，储运和应用开展了大量的研究。目前，大规模制氢技术已经相对成熟，人们可以通过天然气，石油，煤气等多种途径获得高纯度的氢。针对氢的各个应用领域如化工，航天，燃料电池等，学者也都开展了深入的研究。但是要将氢能大规模应用于生产实践，还有许多技术问题亟待解决，其中氢的储存是一个重要方面。

现有的储氢方式主要有以下四种：物理储存(气体压缩或液化)、不可逆的化学储存、金属氢化物储存、碳基吸附储存。各种方式均有其优缺点，如压缩氢气或液化储氢能得到很高的氢储量，但其安全防漏问题是需要解决的主要问题；不可逆化学储存能使系统安全轻便，已经在某些领域得到应用，但其反应的不可逆性以及伴随一些有害气体的生成使得此种方法不便于被广泛地运用；金属氢化物储氢则存在储氢材料自身过重的缺点。相比较而言，由于碳基材料具有安全、可逆、环保、轻便等优点，碳基吸附储氢有较好的发展前景，但其缺点是在常温下储氢率较低。

从当今世界的研究进展来看，以上储氢方法大多数还处于实验室阶段，目前还没有达到大规模的生产应用。除了储氢性能需要进一步优化提高外，在储氢的工业化过程中，还面临如下技术问题：首先，多数储氢过程都涉及低温环境下的操作，需要采取良好的降温绝热手段；其次，储氢过程都伴随有大量的放热，需要及时将热量带走；再次，工业化生产要求相对简单的设备结构，以提高生产效率和可靠性。这就需要专门设计一种适用于工业化生产的储氢设备，既能提供要求的低温原料和环境，又能及时带走储氢过程中储氢瓶内产生的热量而不增加装置的复杂性。这正是本发明要解决的问题。

发明内容

为解决储氢过程中低温工况的维持，及时带走储氢材料中的热量，高效合理地利用氢气，本发明的目的在于提供一种可广泛应用于工业生产的循环吸附储氢装置。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：一种带冷量利用的循环吸附储氢装置，包括一个换热器、一个回冷器、一个增压器和一个储氢瓶，所述换热器的副侧连通有一个冷源构成低温循环回路；该换热器的主侧与回冷器主侧串通，换热器主侧出口通过一个储氢阀连接储氢瓶；回冷器主侧进口连通增压器的出口；回冷器副侧的进口通过一个回气阀连接储氢瓶，回冷器副侧的出口连通增压器的进口，该增压器的进口还连接一个控制原料氢气的补气阀；回冷器副侧、增压器、回冷器及换热器主侧与储氢瓶构成氢气循环回路，在该氢气循环回路的增压器进口处通过一个抽气阀连接有真空系统。

上述方案中，所述的换热器主侧出口与回冷器副侧的进口之间设置有调节阀。

所述回冷器主侧进口与增压器的出口之间设置有一个预冷器。所述换热器主侧出口与储氢阀之间设置有缓冲罐。所述氢气循环回路中设置有监测装置，包括回气阀与回冷器副侧进口之间设置的温度计；增压器进口设置的流量计；低温循环回路中的温度计、压力表；以及缓冲器上设置的温度计、压力表。

所述回冷器、换热器、预冷器、缓冲罐均放置在一个保温仓内。所述冷源为氦制冷系统。

对比现有的储氢技术，本发明具有以下优点：1)利用低温氢气自身作为冷却工质带走储氢过程中产生的热量，不需要额外的冷却装置和冷却工质，使得系统和储氢瓶结构均得到简化。

2)加入回冷装置，提高系统的能效比。

3)没有被吸附的氢气通过循环系统重新进入储氢瓶进行吸附，实现氢原料的高效利用。

4)能够适应较大温度和压力范围的储氢过程。

5)储氢瓶和氢循环系统为相对独立的单元，因此便于储氢瓶的装卸，适于工业化生产。

本发明储氢装置可以实现对储氢材料的均匀冷却，并及时带走储氢过程中生成的热量，以始终保持储氢工况的稳定。通过设置回冷装置可以将低温下的冷量重新利用，以预冷将要进入储氢瓶的氢气，保证系统在低温下的高效运行，提高了系统的整体效率。另外，该设备不需要在储氢瓶内设置冷却装置，简化了储氢瓶的结构，更利于工业化实现。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明储氢装置的系统结构图。

图2是本发明储氢装置的一个具体实施例。

图1图2中：1、真空系统；2、回冷器；3、冷源；4、换热器；5、保温仓；6、储氢瓶；7、增压器；8、原料氢气；9、液氮槽；10、缓冲罐；11、流量计；12、温度计；13、压力表；14、预冷器；V1、补气阀；V2、储氢阀；V3、回气阀；V4、调节阀；V5、抽气阀；V6、预冷进气阀；V7、氮气放气阀；V8、换热进气阀。

具体实施方式

如图1所示，一种带冷量利用的循环吸附储氢装置，包括一个换热器4、一个回冷器2、一个增压器7和一个储氢瓶6，换热器4的副侧连通有一个冷源3构成低温循环回路；换热器的主侧与回冷器主侧串通，换热器主侧出口通过一个储氢阀V2连接储氢瓶6；回冷器主侧进口连通增压器的出口；回冷器副侧的进口通过一个回气阀V3连接储氢瓶，回冷器副侧的出口连通增压器的进口，增压器的进口连接一个控制原料氢气8的补气阀V1；回冷器副侧、增压器、回冷器及换热器主侧与储氢瓶构成氢气循环回路，在该氢气循环回路的增压器进口处通过一个抽气阀V5连接有真空系统1。换热器主侧出口与回冷器副侧的进口之间设置有调节阀V4。回冷器、换热器可放置在一个保温仓5内，保温仓5根据储氢温度的不同选择不同的隔热措施，以减少冷量损失。

图1所示装置的储氢过程包括以下几个环节：(1)预处理阶段：打开抽气阀V5和调节阀V4，其余阀门关闭，用真空系统1将氢气回路抽成真空，关闭抽气阀V5，通入原料氢气8，启动由增压器7驱动的氢气低温循环达到指定温度。

(2)储氢阶段：接入储氢瓶6，开启储氢阀V2和回气阀V3，关闭调节阀V4，开始储氢循环；冷却至低温的高压氢气流入储氢瓶6，一部分氢气被储氢介质吸附，而剩余部分氢气从储氢瓶流走，并带走吸附过程中产生的热量。从储氢瓶流出的低温氢气经过回冷器2副侧回收冷量后进入增压器7，通过增压器提升至高压，流经回冷器2主侧和换热器4主侧，经冷源3提供冷量的副侧冷却到指定温度后进入新一轮储氢过程。

循环系统中可设有监测装置(如图2中的流量计11、温度计12、压力表13)，动态监测循环系统中的参数，并控制氢气流量，当氢气流量随着吸附过程的进行开始下降时，打开补气阀V1，向系统内补充氢气，保持氢气流量维持在指定范围内，以实现储氢过程的连续进行。

(3)储氢完成阶段：系统中的监测装置指示储氢瓶已经饱和，储氢过程结束。开启阀门V4，系统内的氢气进入封闭的低温循环。关闭阀门V2和V3，切断储氢瓶与系统的连接。卸下饱和的储氢瓶，更换新的储氢瓶。

本发明中的冷源3可以根据储氢的温度和冷量负荷的不同选择不同供冷方式，例如氦制冷系统。换热器4可以根据需要由一个或多个换热单元组成。换热器4和回冷装置2的相对位置需要根据所处的温区进行合理排布，不局限于图1所示的位置关系。

储氢瓶6可以具有一个或多个入口和一个或多个出口，考虑到便于装卸也可以将出入口组合成为一个双通道接口与系统相连。另外，储氢瓶6的数量也不局限于图1所示的一个，可以通过并联的形式实现多个储氢瓶同时制备，以满足工业需求。增压器7根据实际生产中氢气流量和回路的压损大小可以选择不同的增压设备，如离心机，螺杆机等。

图2所示是本发明图1储氢装置基础上进一步改进的另一个具体实施方式。

回冷器与增压器之间设置有一个预冷器14，预冷器14为液氮冷却器，起到预冷氢气的作用。从储氢瓶6释放出来的低温氢气在回冷器2中与来流氢气交换冷量，达到预冷来流氢气的效果。换热器4为氦气冷却器，其副侧与氦制冷系统(冷源3)相连接；在氦制冷系统出口处装有温度计12和压力表13。换热器与储氢阀之间设置有缓冲罐10，缓冲罐10上装有温度计12和压力表13；将要进入储氢瓶6的氢气在缓冲罐内预先调节到指定压力温度。储氢瓶6设有一个入口和一个出口，位于保温仓5外，通过截止阀V2和V3与系统相连接。增压器7将回冷后的氢气压力增至额定压力，维持氢气循环回路内的稳定流动。真空泵1在储氢系统启动前将氢气循环回路抽成真空。

本实施例适用于储氢温度在30-70K之间的储氢过程，采用两级冷却与一级回冷的方式将常温氢气冷却：第一级冷却用液氮作为冷却方式，第二级冷却用氦制冷系统作为冷却方式。

图2装置的储氢过程为：第一步：打开抽气阀V5和调节阀V4，关闭其余所有阀门。用真空泵将氢气回路抽成真空。

第二步：关闭抽气阀V5，通入原料氢气8。启动增压器7，使氢气在冷却循环回路中不断冷却降温到30-70K的温度区间。

第三步：将预抽为真空的储氢瓶6接入储氢系统，开始储氢循环。

1)常温氢气依次流经预冷器14、回冷器2和换热器4冷却到30-70K的温度区间后，进入缓冲罐5。储氢过程中通过调节预冷器14中的氮气侧流量及换热器4中的氦气流量来控制调节缓冲罐5中的氢气温度和压力。当缓冲罐中的氢气温度和压力达到指定值时，关闭调节阀V4，打开储氢阀V2、V3，向储氢瓶6输入低温(30-70K温度区间内某一温度)的氢气进行储氢。

2)进入储氢瓶6的低温氢气一部分被储氢材料吸附，剩余不能被吸附的部分则通过回气阀V3流出，进入到回冷器2中。低温氢气在回冷器中冷却从液氮预冷器流出的来流氢气。上述低温氢气流出回冷器2后进入增压器7，在其中升压并重新进入新一轮储氢循环。

3)在增压器7入口处设有一流量计11，当其流量改变时，自动调节补气阀V1，来控制氢气原料的进气量，使回路内氢流量保持稳定。

第四步：储氢过程结束的判断。在储氢瓶出口处装有温度计12，当其数值基本稳定不变时并与缓冲罐内的温度计读数一致时，则可认为储氢瓶储氢饱和，储氢循环结束，打开调节阀V4，关闭储氢阀V2、回气阀V3，更换储氢瓶。

Claims

1.一种带冷量利用的循环吸附储氢装置，其特征在于，包括一个换热器、一个回冷器、一个增压器和一个储氢瓶，所述换热器的副侧连通有一个冷源构成低温循环回路；该换热器的主侧与回冷器主侧串通，换热器主侧出口通过一个储氢阀连接储氢瓶；回冷器主侧进口连通增压器的出口；回冷器副侧的进口通过一个回气阀连接储氢瓶，回冷器副侧的出口连通增压器的进口，该增压器的进口还连接一个控制原料氢气的补气阀；回冷器副侧、增压器、回冷器及换热器主侧与储氢瓶构成氢气循环回路，在该氢气循环回路的增压器进口处通过一个抽气阀连接有真空系统。

2.如权利要求1所述的带冷量利用的循环吸附储氢装置，其特征在于，所述的换热器主侧出口与回冷器副侧的进口之间设置有调节阀。

3.如权利要求2所述的带冷量利用的循环吸附储氢装置，其特征在于，所述回冷器主侧进口与增压器的出口之间设置有一个预冷器。

4.如权利要求3所述的带冷量利用的循环吸附储氢装置，其特征在于，所述换热器主侧出口与储氢阀之间设置有缓冲罐。

5.如权利要求4所述的带冷量利用的循环吸附储氢装置，其特征在于，所述氢气循环回路中设置有监测装置，包括回气阀与回冷器副侧进口之间设置的温度计；增压器进口设置的流量计；低温循环回路中的温度计、压力表；以及缓冲器上设置的温度计、压力表。

6.如权利要求4所述的带冷量利用的循环吸附储氢装置，其特征在于，所述回冷器、换热器、预冷器、缓冲罐均放置在一个保温仓内。

7.如权利要求1至6之一所述的带冷量利用的循环吸附储氢装置，其特征在于，所述冷源为氦制冷系统。