CN107228274A - 固定式多层真空绝热高压液氢储罐 - Google Patents

固定式多层真空绝热高压液氢储罐 Download PDF

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Abstract

本发明涉及氢能源储存设备开发领域，旨在提供一种固定式多层真空绝热高压液氢储罐。包括内罐和外罐两部分，内罐的外壳上包裹纤维增强环氧树脂基复合材料层，并通过支撑件固定在外罐的腔体中；内外罐为真空绝热夹层，真空绝热夹层中铺设有多层用于覆盖整个内罐的真空防辐射绝热层；在外罐上设有与真空绝热夹层相连通的抽真空装置和真空表。本发明综合考虑了氢相图中温度和压力两方面的因素，所使用的纤维缠绕铝内胆容器能够承受压力和储氢密度均提高很多。本发明极大降低了液氢的蒸发量，蒸发气体收集和压缩回流装置能够收集因为传热而蒸发的氢气，避免了浪费也防止出现超压的情况，保证了结构的安全。本发明适用于液氢加氢站和气态加氢站。

Description

固定式多层真空绝热高压液氢储罐
技术领域
本发明属于氢能源储存设备开发领域，特别涉及一种固定式多层真空绝热高压液氢储罐。
背景技术
随着能源危机和环境问题的凸显，以清洁能源汽车取代现有的化石燃料汽车是解决能源和环境问题的重要途径之一。氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体，近年来已引起广泛的关注，以氢能为动力源的氢燃料电池汽车以其能量转化率高、燃料经济性好、零排放等优点，已经成为最热门的研究领域。氢燃料电池汽车的推广和使用是以配套设施的完善为前提的，加氢站是氢能源汽车最重要的基础配套设施，而其中尤其以氢压缩和储存装置最为重要。
目前，加氢站中常用的储氢方式分为常压液态储氢和高压气态储氢。其中常压液态储氢的蒸发损耗非常大。据调查，常压液态储氢每天的蒸发损耗大约为1％左右，这造成了氢能源的大量浪费。常温高压储氢的储氢密度受制于压力大小，现阶段的储氢压力已达到70MPa，但其储氢密度只有38kg/m3左右，相比于液氢，储氢密度非常低。要增加储氢密度，就必须增加储氢压力，这又对容器的安全性和储存成本提出了挑战，因此储氢密度、储氢压力、安全性、经济性之间的矛盾限制了这一技术的进一步发展。同时高压储氢容器的重量和体积较大，氢气的压缩费用也增加了总的成本，这些因素也限制了其在加氢站储氢设备中的应用。
由于现阶段加氢站中的主要储氢方式均存在一定程度的缺陷，因此探寻一种能克服这些缺点的新型储氢方式具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种固定式多层真空绝热高压液氢储罐。
为解决技术问题，本发明采取以下措施：
提供一种固定式多层真空绝热高压液氢储罐，包括用于盛装液氢的罐体；所述液氢储罐包括内罐和外罐两部分，以盛装液氢的罐体作为内罐，其外壳上包裹纤维增强环氧树脂基复合材料层，并通过至少两个内罐支撑件固定在外罐的腔体中；内罐和外罐之间的空腔为真空绝热夹层，真空绝热夹层中铺设有多层用于覆盖整个内罐的真空防辐射绝热层；在外罐上设有与真空绝热夹层相连通的抽真空装置和真空表；
所述液氢储罐还包括与内罐腔体连通的液氢加注管路和蒸发气排放管路；其中，液氢加注管路依次穿过外罐和内罐的壳体，伸入内罐腔体并接近其底部；蒸发气排放管路穿过外罐的壳体，接至内罐壳体上的蒸发气出口；液氢入口通过三通接至液氢加注管路和压缩机，压缩机通过管路依次接至蒸发气体收集器和蒸发气排放管路。
本发明中，所述内罐为铝制卧式容器，至少能承受35MPa的压力；外罐为钢制外压容器，至少能承受0.1MPa的外压。
本发明中，所述真空防辐射绝热层是铝膜。
本发明中，所述蒸发气体收集器出入口的管路上分别设置一个调压阀。
本发明中，所述内罐支撑件包括环形筋板，环绕内罐径向外壳设置金属垫板和非金属垫板，其中非金属垫板与内罐外壳相接；环形筋板与金属垫板及外罐内壁的相接处通过焊接方式固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明综合考虑了氢相图中温度和压力两方面的因素，所使用的纤维缠绕铝内胆容器能够承受高达35MPa以上的压力，储氢密度可以达到甚至高于80kg/m3，相比于相同体积的70MPa气态储氢容器，其氢气储量要大的多。
2、本发明由于内罐中为高压环境，以及结构中设置有多层真空绝热，因此极大的降低了液氢的蒸发量。同时，本发明中设置的蒸发气体收集和压缩回流装置能够收集因为传热而蒸发的氢气，并在达到一定压力后将其压缩成液态回流入罐，一方面避免了氢能源的浪费，另一方面也防止了储罐出现超压的情况，保证了结构的安全。
3、本发明既适用于液氢加氢站，也可以通过连接蒸发器等设备而适用于气态加氢站。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为内罐支撑件的正视图；
图3为内罐支撑件的侧视图；
图中的附图标记为：内罐1、纤维增强环氧树脂基复合材料层2、真空绝热夹层3、真空防辐射绝热层4、外罐5、外罐鞍座6、内罐支撑件7、液氢加注管路8、三通9、压缩机10、调压阀11、蒸发气体收集器12、调压阀13、抽真空装置14、真空表15、蒸发气出口16、环形筋板7-1、金属垫板7-2、非金属垫板7-3。
具体实施方式
如图1所示，固定式多层真空绝热高压液氢储罐包括内罐1和外罐5两部分，以盛装液氢的罐体作为内罐1，其外壳上包裹纤维增强环氧树脂基复合材料层2，并通过至少两个内罐支撑件7固定在外罐5的腔体中；内罐1和外罐5之间的空腔为真空绝热夹层3，真空绝热夹层3中铺设有多层用于覆盖整个内罐1的真空防辐射绝热层4；在外罐5上设有与真空绝热夹层3相连通的抽真空装置14和真空表15；
内罐支撑件7包括环形筋板7-1，环绕内罐1的径向外壳设置金属垫板7-2和非金属垫板7-3，其中非金属垫板7-3与内罐外壳相接；环形筋板7-1与金属垫板7-2及外罐5内壁的相接处通过焊接方式固定连接。
所述液氢储罐还包括与内罐1腔体连通的液氢加注管路8和蒸发气排放管路；其中，液氢加注管路8依次穿过外罐5和内罐1的壳体，伸入内罐1腔体并接近其底部；蒸发气排放管路穿过外罐5的壳体，接至内罐1壳体上的蒸发气出口16；液氢入口通过三通9接至液氢加注管路8和压缩机10，压缩机10通过管路依次接至蒸发气体收集器12和蒸发气排放管路，蒸发气体收集12出入口的管路上分别设置调压阀11和调压阀13。
本实例中，内罐为铝制卧式容器，至少能承受35MPa的压力；外罐为钢制外压容器，至少能承受0.1MPa的外压。
内罐1外部包裹缠绕的纤维增强环氧树脂基复合材料层2，用于承受内压，是主要承压原件。可以利用干法缠绕技术，将经过预浸胶处理的纤维预浸纱(或纤维预浸带)，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到内罐芯模上，形成纤维增强环氧树脂基复合材料层2。复合材料层中的纤维组分可按照储存压力的大小选择碳纤维或者玻璃纤维，碳纤维用于储存压力较高的情况，玻璃纤维用于储存压力较低的情况。
真空防辐射绝热层4必须覆盖整个内罐，其作用主要是减小真空辐射传热。真空防辐射绝热层4可选用铝膜，或者是喷铝涤纶薄膜。真空绝热夹层3和真空防辐射绝热层4的厚度由传热要求计算得到。
非金属垫板7-3由橡胶或其他导热系数较小非金属材料制成，用于放置内罐1。外罐5通过鞍座6放置于外界环境中，鞍座6为普通卧式容器鞍座，可通过相关标准直接选用，也可以通过外罐5直径等参数自行设计。
蒸发气体收集和压缩回流部件设置于外罐5的顶部或侧部。由于液氢和外部环境之间存在不可避免的热量传递，因此液氢会吸热蒸发，内罐1中压力增大，当达到调压阀13的设定值时，阀门打开，蒸发气体进入并储存于蒸发气体收集器12中；当内罐1压力减低后调压阀13关闭。当蒸发气体收集器12中的收集气体达到一定压力时，调压阀11打开，气体进入压缩机10，通过压缩成为液氢，回流入内罐1中。蒸发器收集器12可以是复合材料储罐或者其它小型承压容器，所能承受的最大压力应与内罐1所能承受的最大压力相匹配。

Claims (5)

1.一种固定式多层真空绝热高压液氢储罐，包括用于盛装液氢的罐体，其特征在于，所述液氢储罐包括内罐和外罐两部分，以盛装液氢的罐体作为内罐，其外壳上包裹纤维增强环氧树脂基复合材料层，并通过至少两个内罐支撑件固定在外罐的腔体中；内罐和外罐之间的空腔为真空绝热夹层，真空绝热夹层中铺设有多层用于覆盖整个内罐的真空防辐射绝热层；在外罐上设有与真空绝热夹层相连通的抽真空装置和真空表；
所述液氢储罐还包括与内罐腔体连通的液氢加注管路和蒸发气排放管路；其中，液氢加注管路依次穿过外罐和内罐的壳体，伸入内罐腔体并接近其底部；蒸发气排放管路穿过外罐的壳体，接至内罐壳体上的蒸发气出口；液氢入口通过三通接至液氢加注管路和压缩机，压缩机通过管路依次接至蒸发气体收集器和蒸发气排放管路。
2.根据权利要求1所述液氢储罐，其特征在于，所述内罐为铝制卧式容器，至少能承受35MPa的压力；外罐为钢制外压容器，至少能承受0.1MPa的外压。
3.根据权利要求1所述液氢储罐，其特征在于，所述真空防辐射绝热层是铝膜。
4.根据权利要求1所述液氢储罐，其特征在于，所述蒸发气体收集器出入口的管路上分别设置一个调压阀。
5.根据权利要求1所述液氢储罐，其特征在于，所述内罐支撑件包括环形筋板，环绕内罐径向外壳设置金属垫板和非金属垫板，其中非金属垫板与内罐外壳相接；环形筋板与金属垫板及外罐内壁的相接处通过焊接方式固定连接。
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