CN107779906A - 一种液态氢气的制取系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态氢气的制取系统，所述系统包括：风力发电设备，用于产生直流电；制氢设备，利用所述风力发电设备产生的直流电电解水产生气态氢气和氧气；压缩设备，压缩所述制氢设备产生的气态氢气，得到高压氢气；低温设备，对所述压缩设备压缩得到的高压氢气进行冷却至预设温度，得到液态氢气。应用本发明实施例，利用可再生能源风力发电产生的直流电电解水制造液态氢气，能够充分利用可再生能源，此外，较传统电解水制造液态氢气，大大节约了液态氢气制造成本，且液态氢气便于运输，降低了运输成本，进而可以扩大液氢的应用领域。
Description
技术领域
本发明实施例涉及新能源技术领域，尤其涉及一种液态氢气的制取系统。
背景技术
氢能以高能效、可再生、零排放的特点，被科学界公认为“二十一世纪”的绿色能源。通过近年来国内及美、日、欧盟、韩国等国和地区的大力推广，以氢为动力的新能源汽车产业已进入产业化的前夜。就目前来看，氢的储存方式主要有高压气态储氢、液态储氢和材料储氢三种形式。
由于在常温、常压下液氢(即液态氢气)密度是气态氢气的约845倍，液氢的体积能量密度比气态压缩储存高好几倍，把液氢加注到燃料电池汽车或氢内燃机汽车上的低温储氢瓶中，可大大提高车辆的行驶距离，还可降低车载高压储氢系统成本。因此，而较前述高压气态储氢和材料储氢两种储氢方式，液态储氢最适合长距离、大批量运输。
然而，现目前由于液氢生产价格非常昂贵，限制了液氢的应用，主要应用在火箭发射及火箭研究领域，而在民用领域却甚少。
因此，急需一种低成本的液态氢气的制取系统，降低液态氢气生产成本，扩大液氢的应用领域，使液氢能够作为民用品进入到广大用户手中。
发明内容
本发明提供一种液态氢气的制取系统，通过风力发电产生的直流电电解水以制取氢气，由于风力发电是一种可再生能源，能够降低氢气的制造成本。
一种液态氢气的制取系统，所述系统包括：
风力发电设备，用于产生直流电；
制氢设备，利用所述风力发电设备产生的直流电电解水产生气态氢气和氧气；
压缩设备，压缩所述制氢设备产生的气态氢气，得到高压氢气；
低温设备，对所述压缩设备压缩得到的高压氢气进行冷却至预设温度，得到液态氢气。
示例性地，所述系统还包括：
液氢存储槽，用于存储液态氢气，且利用催化剂使所述液态氢气进行正氢到仲氢的状态转换。
示例性地，所述系统还包括：
氢气缓冲罐，通过输送管道安装在所述制氢设备和所述压缩设备之间，用于存储所述制氢设备电解水产生气态氢气，并在所述压缩设备的吸力下将所述气态氢气送入所述压缩设备。
示例性地，所述系统还包括：
高压氢气储罐，通过输送管道安装在所述压缩设备和所述低温设备之间，用于存储所述压缩设备压缩得到的高压氢气。
示例性地，所述低温设备包括第一热交换器、第二热交换器、低温液氮槽和第三热交换器，
所述第一热交换器与所述第二热交换器均接入所述低温液氮槽，所述高压氢气通过高压氢气管道流经所述第一热交换器与所述第二热交换器，进入所述低温液氮槽，进行第一次冷却处理，然后进入所述第三热交换器进行第二次冷却处理，以得到液态氢气。
示例性地，所述低温设备还包括氮气液化循环设备，与所述第二热交换器和所述低温液氮槽循环连接，实现液氮气化循环。
示例性地，所述系统还包括节流阀，基于氢气的焦耳--汤普逊效应，所述节流阀被打开，所述液态氢气流入所述液氢存储槽。
示例性地，低温液氮槽对所述高压氢气进行第一冷却处理，使所述高压氢气冷却至65K；
所述第三热交换器对所述高压氢气进行第二冷却处理，使所述高压氢气从65K冷却至33K。
示例性地，所述压缩设备为隔膜压缩机，将所述制氢设备产生的气态氢气压缩至25MPa。
示例性地，所述系统还包括中央控制装置，其包括微处理器、温度传感器及压力传感器至少一个，用于控制所述风力发电设备、制氢设备、压缩设备和低温设备的至少一个。
应用本发明实施例，利用可再生能源风力发电产生的直流电电解水制造液态氢气，能够充分利用可再生能源，较传统电解水制造液态氢气，大大节约了液态氢气制造成本，且液态氢气便于运输，降低了运输成本，进而可以扩大液氢的应用领域。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种液态氢气的制取系统的结构框图。
图2为本发明一个实施例提供的一种液态氢气的制取系统的整体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一个实施例提供的一种液态氢气的制取系统的结构框图。
如图1所示，一种液态氢气的制取系统，包括风力发电设备、制氢设备、压缩设备和低温设备。
其中，风力发电设备用于产生直流电。
风力发电是目前技术最成熟、最有开发利用价值的可再生能源。在采用风力发电并网的同时，利用多余的风电大规模制氢，把氢气储存起来并提供给下游使用。由于在风电电价很低，而且有许多无法并网的风电，因此，在本发明一实施例中，将一些无法并网的风电用于电解水制取氢气，其制造成本相对较低，经济性好，产品不仅可以军用，还能民用，使氢气能源实现“大众化”消费。
制氢设备利用所述风力发电设备产生的直流电电解水产生气态氢气和氧气。
制氢设备可以为电解槽。在制氢设备中，当两个电极(阴极和阳极)分别通上风力发电设备产生的直流电,并且浸入水中时,在直流电的作用下,水分子分解为氢离子和氢氧根离子,在阳极氢氧根离子失去电子产生氧气,在阴极氢离子得到电子产生氢气。
制氢设备还可以具备氢气纯化功能，氢气纯化即利用物理或化学的方法，除去氢气中杂质的方法。氢气纯化可以采用膜分离技术、低温分离技术、变压吸附技术和金属氢化物法等，具体可以根据需制备的氢气纯度、制备成本等进行选择。
压缩设备压缩所述制氢设备产生的气态氢气，得到高压氢气。
示例性地，压缩设备可以是隔膜压缩机，将制氢设备产生的气态氢气压缩至25MPa。
低温设备对所述压缩设备压缩得到的高压氢气进行冷却至预设温度，得到液态氢气。
根据本发明一实施例，低温设备包括第一热交换器、第二热交换器、低温液氮槽和第三热交换器，
所述第一热交换器与所述第二热交换器均接入所述低温液氮槽，所述高压氢气通过高压氢气管道流经所述第一热交换器与所述第二热交换器，进入所述低温液氮槽，进行第一次冷却处理，然后进入所述第三热交换器进行第二次冷却处理，以得到液态氢气。示例性地，低温液氮槽对所述高压氢气进行第一冷却处理，使所述高压氢气冷却至65K，而第三热交换器对所述高压氢气进行第二冷却处理，使所述高压氢气从65K冷却至33K，得到液态氢气。
根据本发明一实施例，该系统还可以包括液氢存储槽，用于存储液态氢气，且利用催化剂使所述液态氢气进行正氢到仲氢的状态转换。
根据本发明另一实施例，该系统还可以包括氢气缓冲罐，通过输送管道安装在所述制氢设备和所述压缩设备之间，用于存储所述制氢设备电解水产生气态氢气，并在所述压缩设备的吸力下将所述气态氢气送入所述压缩设备。
根据本发明另一实施例，该系统还可以包括高压氢气储罐，通过输送管道安装在所述压缩设备和所述低温设备之间，用于存储所述压缩设备压缩得到的高压氢气。
根据本发明另一实施例，该系统还可以包括节流阀，基于氢气的焦耳--汤普逊效应，所述节流阀被打开，所述液态氢气流入所述液氢存储槽。
此外，由于风电具有间歇性、不可控的特点，在有风的时候产生的电力，因此，该系统可以包括中央控制装置，其可以包括微处理器、温度传感器及压力传感器至少一个，用于控制所述风力发电设备、制氢设备、压缩设备和低温设备的至少一个。具体而言，在有风产生的电力时，通过中央控制装置控制制氢装置直接利用直流电进行水电解，且系统功率可以根据生产需求进行智能化调节产生氢气和氧气。在无风的时候，中央控制装置控制制氢装置进入待机状态或利用入网电力继续工作。进一步而言，当中央控制装置包括微处理器和温度传感器时，温度传感器实时检测氢气的温度，并将检测到的温度反馈给微处理器，微处理器根据该温度控制低温设备，以实时控制氢气温度，达到氢气预设温度值(例如，65K和/或33K)。当中央控制装置包括微处理器和压力传感器时，压力传感器可以实时检测氢气被压缩程度(压力值)，并将此反馈给处理器，处理器再控制压缩装置的工作状态。当中央控制装置包括微处理器、温度传感器及压力传感器，其控制机理与前述实施例类似，为了简洁，在此不再赘述。
为了使本发明的技术方案更加清楚易懂，基于前述液态氢气的制取系统的各个实施例中涉及的结构，对液态氢气的整个制备流程详细地进行描述。
图2为本发明一个实施例提供的一种液态氢气的制取系统的整体结构示意图。
如图2所示，该系统包括风力发电设备1、制氢设备2、氢气缓冲罐3、压缩设备4、高压氢气储罐5以及低温设备，其中低温设备包括第一热交换器6、第二热交换器7、氮气液化循环设备8、液氢存储槽9和第三热交换器10，该系统还包括节流阀11、液氢存储槽12和中央控制装置(图中未示出)。
风力发电设备1利用风能产生直流电，制氢设备2通过该直流电电解水产生得到气态氢气，气态氢气储存在氢气缓冲罐3内，氢气缓冲罐3将氢气送入压缩设备4，压缩设备4对气态氢气压缩至25MPa，并送入高压氢气储罐5中存储，高压氢气储罐5通过高压氢气管道分别连接至第一热交换器6和第二热交换器7，高压氢气经过第一热交换器6和第二热交换器7进入低温液氮槽9中冷却至65K,再经过第三热交换器10，低温氢气进一步冷却到氢气临界点33K,由于氢气的焦耳--汤普逊效应，膨胀节流，打开节流阀11，低温氢气转化为液态氢气，存储在低温液氢槽12中。需要说明的是，氢在液化过程中需要将氢的正氢转变为仲氢状态，因此在低温液氢槽12中可以使用催化剂来促使这一转变完成并保持下去。
此外，为了加快氢气的冷却，第二热交换器7、氮气液化循环设备8和液氢存储槽9三者循环连接。由于冷却氢气过程中，液态氮气由于温度上升可能气化，产生的气态氮气从第二热交换器7流入氮气液化循环设备8，冷却后的氮气又从气态转变为液态，又进入液氢存储槽9，如此，可以实现氮气的循环利用。
中央控制装置用于控制液态氢气的制取系统中的各个子系统或者设备、装置，具体可以参见前述实施例对中央控制装置的描述，在此不再赘述。
由于在常温、常压下液态氢气密度是气态氢的845倍，液态氢气的体积能量密度比气态氢气压缩储存高好几倍，因此，在完成液态氢气制备后，把液态氢气加注到燃料电池汽车或氢内燃机汽车上的低温储氢瓶中，可大大提高车辆的行驶距离，还可降低车载高压储氢系统成本。特别是对加快燃料电池长途大客、长途货车实用化起到了重要作用。
还可以理解的是，把液态氢气加注到低温槽车中运输，可以将液态氢气运送到远离风电场的普通加氢站或特殊工业用户手中使用。可以比用长管拖车运输气态氢气多运输10倍以上的量，能够节省大量的运费，例如，运输一吨液态氢气就相当12000Nm3气态氢气，而载重32吨标准10根管长管拖车只能运输4000Nm3氢气。
本技术领域人员可以了解的是，液化1Nm3氢气要比电解水制氢多消耗电1.3Kwh左右，在本发明实施例中，制备液态氢气过程中全部使用风力发电，甚至使用一些不能并网的风力发电，能够充分利用风力发电能源，大大节约制氢成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种液态氢气的制取系统，其特征在于，所述系统包括：
风力发电设备，用于产生直流电；
制氢设备，利用所述风力发电设备产生的直流电电解水产生气态氢气和氧气；
压缩设备，压缩所述制氢设备产生的气态氢气，得到高压氢气；
低温设备，对所述压缩设备压缩得到的高压氢气进行冷却至预设温度，得到液态氢气。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
液氢存储槽，用于存储液态氢气，且利用催化剂使所述液态氢气进行正氢到仲氢的状态转换。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
氢气缓冲罐，通过输送管道安装在所述制氢设备和所述压缩设备之间，用于存储所述制氢设备电解水产生气态氢气，并在所述压缩设备的吸力下将所述气态氢气送入所述压缩设备。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括：
高压氢气储罐，通过输送管道安装在所述压缩设备和所述低温设备之间，用于存储所述压缩设备压缩得到的高压氢气。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述低温设备包括第一热交换器、第二热交换器、液氢存储槽和第三热交换器，
所述第一热交换器与所述第二热交换器均接入所述低温液氮槽，所述高压氢气通过高压氢气管道流经所述第一热交换器与所述第二热交换器，进入所述低温液氮槽，进行第一次冷却处理，然后进入所述第三热交换器进行第二次冷却处理，以得到液态氢气。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述低温设备还包括氮气液化循环设备，与所述第二热交换器和所述低温液氮槽循环连接，实现液氮气化循环。
7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括节流阀，基于氢气的焦耳--汤普逊效应，所述节流阀被打开，所述液态氢气流入所述液氢存储槽。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
低温液氮槽对所述高压氢气进行第一冷却处理，使所述高压氢气冷却至65K；
所述第三热交换器对所述高压氢气进行第二冷却处理，使所述高压氢气从65K冷却至33K。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩设备为隔膜压缩机，将所述制氢设备产生的气态氢气压缩至25MPa。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括中央控制装置，其包括微处理器、温度传感器及压力传感器至少一个，用于控制所述风力发电设备、制氢设备、压缩设备和低温设备的至少一个。
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