CN110848559A - 一种超临界液态氢存储系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的超临界液态氢存储系统，包括氢气处理部，用于将氢气处理为超临界液态氢；超临界氢储部具有对液态氢进行存储的罐体，罐体外设置有冷却罩；冷却部具有用于对冷却罩进行冷却的冷却单元，超临界氢储部包括从外至内依次设置的外罐、第一绝热层、真空腔、冷却罩、第二绝热层、内罐，冷却部包括斯特林制冷机、温度传感器以及冷却单元，斯特林制冷机具有冷头，温度传感器设置在冷却罩中，温度传感器与斯特林制冷机相连，冷却单元包括第一导冷件、第二导冷件、脉动热管，第一导冷件与冷头相连，第二导冷件与冷却罩相连，脉动热管的一端与第一导冷件相连，另一端与第二导冷件相连，用于实现冷头和冷却罩之间的冷量交换。

Description

一种超临界液态氢存储系统
技术领域
本发明属于氢能源存储技术领域，具体涉及一种基于斯特林制冷机的超临界液态氢的存储系统。
背景技术
随着社会的发展和人们物质生活水平的提高，环境保护问题日益得到人们的重视，而解决环境问题一个重要的突破点就是找到一种清洁的能源来减少对环境的破坏。氢能作为一种清洁能源，具有燃烧热值高，储量丰富等优点。氢气的循环使用性较好，燃烧后产生水，可以利用生成水继续制取氢气。因此氢气是未来能源利用的理想选择。然而，在氢气的使用过程中氢气的储运问题则是现代工业应用中的一个巨大难题。
目前，储运氢气的方式主要有高压氢气储存和低温液氢储存两种。高压氢气储存是通过一定的机械设备将氢气进行压缩，使氢气的压力不断升高，进而增大氢气的密度，以实现在小容积内存储更多氢气的目的，但这种方法对储氢罐的材料和壁厚提出了相当高的要求，运输成本也比较昂贵。
低温液氢储存是通过一定的冷却方式，使氢气的温度降低到冷凝点温度20K以下，从而使氢气液化，获得低温液氢。在通常温度下，平衡氢是含75％正氢和25％仲氢的混合物，称为正常氢。高于常温时，正—仲态的平衡组成不变；低于常温时，正—仲态的平衡组成将会发生变化，温度降低，仲氢的百分比将会增加，氢的正—仲态转化是放热反应，转化过程中放出的热量会使得液氢不断蒸发。为了减少正仲态转化过程中放热所造成的液氢蒸发损失，要求所制得的液氢产品中仲氢含量至少在95％以上。液氢的密度高达70kg/m3，虽然氢能源的存储密度很大，但是液氢在运输过程中容易产生蒸发现象。液氢的蒸发一方面会使得容器罐内的压力不断升高，使容器罐变得比较危险，另一方面也会造成液氢的浪费。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于斯特林制冷机的超临界液态氢的存储系统。
超临界储氢技术，是指将氢气的压力和温度都保持在临界点以上，将处于超临界状态的氢存储起来，其中处于临界点状态的氢气的压力为1.296MPa,温度为33.15K。
本发明提供了一种超临界液态氢存储系统，具有这样的特征，包括氢气处理部，用于将氢气处理为超临界液态氢；超临界氢储部，具有对液态氢进行存储的罐体，罐体外设置有冷却罩；以及冷却部，具有用于对冷却罩进行冷却的冷却单元，其中，超临界氢储部包括从外至内依次设置的外罐、第一绝热层、真空腔、冷却罩、第二绝热层、内罐，冷却部包括斯特林制冷机、温度传感器以及冷却单元，斯特林制冷机具有冷头，温度传感器设置在冷却罩中，温度传感器与斯特林制冷机相连，冷却单元包括第一导冷件、第二导冷件、脉动热管，第一导冷件与冷头相连，第二导冷件与冷却罩相连，脉动热管的一端与第一导冷件相连，另一端与第二导冷件相连，用于实现冷头和冷却罩之间的冷量交换。
在本发明提供的超临界液态氢存储系统中，还可以具有这样的特征：其中，氢气处理部将氢气通过液氮冷却至90K，达到超临界状态。
另外，在本发明提供的超临界液态氢存储系统中，还可以具有这样的特征：其中，冷却罩设置在第二绝热层的外侧，采用铝材料制成。
另外，在本发明提供的超临界液态氢存储系统中，还可以具有这样的特征：其中，冷却罩内设置有第一温度传感器，当冷却罩内的温度升高到预定值后，控制单元接收温度传感器的信号并控制斯特林制冷机开始工作，冷头通过脉动热管将冷量导入到冷却罩内，防止内罐内的超临界氢蒸发。
另外，在本发明提供的超临界液态氢存储系统中，还可以具有这样的特征：其中，氢气处理部包括第二温度传感器、流量调节阀以及通过管道依次连通的氢气净化装置、氢气加压装置、氢气换热器，流量调节阀设置在氢气加压装置与氢气换热器之间的管路中，第二温度传感器设置在连通氢气换热器出口与流量调节阀的管路中，当温度变化时，流量调节阀的开度大小根据第二温度传感器的反馈信号进行调整。
另外，在本发明提供的超临界液态氢存储系统中，还可以具有这样的特征：其中，内罐内部设置有压力传感器用于测量内罐内氢的压力。
另外，在本发明提供的超临界液态氢存储系统中，还可以具有这样的特征：其中，冷却部还包括太阳能电池板和蓄电池，太阳能电池板分别与蓄电池和斯特林制冷机相连，用于对蓄电池进行充电和驱动斯特林制冷机工作。
另外，在本发明提供的超临界液态氢存储系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一导冷件上设置有多道凹槽，用来安装脉动热管。
另外，在本发明提供的超临界液态氢存储系统中，还可以具有这样的特征：其中，脉动热管的材料选用铜管，其内径设置为0.05-0.2mm，管路数量大于16。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的超临界液态氢存储系统，因为斯特林制冷机的导冷机构和冷却罩进行连接的，并没有和储罐内部进行直接连接，所以，本发明的超临界液态氢存储系统能有效防止了超临界氢的冷量沿着导冷机构向外界泄露。
另外，在传统的高压液态储氢中，由于氢的蒸发温度很低，所以液氢很容易蒸发成为气态，储氢罐内的压力不断升高，增大了储氢罐的危险性。而本发明的超临界液态氢存储系统不存在蒸发问题。
进一步地，本发明的超临界液态氢存储系统采用了斯特林制冷机制冷，将超临界氢气储罐内泄漏的热量向外界及时排出，储氢罐的安全性得到了很好的保障。
超临界氢储罐和高压氢气储罐相比，存储压力低，安全稳定性更好；超临界氢储罐和液氢储罐相比，存储温度高，和外界的漏热量比较少，更加容易存储。
附图说明
图1是本发明的实施例中超临界液态氢存储系统示意图；
图2是本发明的实施例中超临界氢储部示意图；
图3是本发明的实施例中安全防护单元示意图；
图4是本发明的实施例中脉动热管与导冷件连接示意图；以及
图5是本发明的实施例中导冷件之间管路连接示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的超临界液态氢存储系统作具体阐述。
实施例
超临界液态氢存储系统包括氢气处理部、超临界氢储部1、冷却部。
如图1所示，氢气处理部包括液氮冷却单元、温度传感器15、流量调节阀17以及通过管道依次连通的氢气净化装置6、氢气加压装置7、氢气换热器16。
流量调节阀17设置在氢气加压装置7与氢气换热器16之间的管路中，温度传感器15设置在连通氢气换热器16出口与流量调节阀17的管路中，流通阀13设置在氢气换热器16与超临界氢储部1之间的管道22中。
液氮冷却单元包括通过管道依次连通的无油离心涡轮压缩机8、透平膨胀压缩机9、液氮冷却装置10、气液分离器11。
氢气处理部先对未处理的氢气进行抽样检测，在氢气净化装置6中进行净化处理，接着对氢气氢气加压装置7中进行增压，压力达到要求值后，氢气通过冷却氢气换热器16和液氮进行换热，高温的氢气吸收了液氮的冷量后降温，从而增大氢的密度，可以在超临界氢储部1内存储更多的氢能源。超临界氢从冷却氢气换热器16出来以后，由于管道处设置有温度传感器15，若超临界氢的温度过高，温度传感器15发出反馈信号使流量调节阀17开度减小，氢气流量减少，从而氢气与液氮的换热更加充分，使得超临界氢的温度满足要求，实施例中，超临界氢的温度可以达到90K变为超临界氢，增大氢的密度，接着将超临界氢保存在超临界氢储部1内。
如图1所示，液氮冷却单元在冷却氢气换热器16中对氢气进行冷却。系统中原来存储的液氮在冷却完氢气之后，成为高温的氮气，氮气在无油离心涡轮压缩机8的作用下被压缩成为温度为300K，压力为0.9MPa的高温气体，然后使初步增压后的氮气通过透平膨胀压缩机9进行二次增压和膨胀节流降温，使气态氮的温度降为120K，最后使气态氮经过节流阀12降压降温，氮气由气态变为液态。液氮流入气液分离器11内存储。气液分离器11上部的氮气会通过冷却氮气换热器10和需要冷却的氮气进行换热，提高能量的利用率，充分换热后的氮气会和从冷却氢气换热器16中出来的氮气混合后再次进入压缩机8内被压缩，液氮将氢气冷却至90K，液氮吸收热量后变为氮气，和从冷却氮气换热器10中出来的氮气进行混合，参与制取液氮的循环，所以该循环成为一个闭式循环，外界不需要再提供原料气体便可维持循环的进行。相对于氢气液化时需要降温至20K，本实施例的装置在很大程度上减少了能源的浪费，所制得的超临界氢的密度也没有太小，工业应用价值很高。
如图2、图3所示，超临界氢储部1包括外罐101、绝热层102、真空腔103、冷却罩104、绝热层105、内罐106、安全防护单元。
管道22为超临界氢的流入管路，管道29为氢的流出管路，输出供应加氢站供给用户5的氢。
内罐106为椭圆罐，与管道22、管道29分别连通，超临界氢沿着管道22进入内罐106之前会先经过流通阀13。
绝热层105设置在内罐106的外侧。
冷却罩104设置在绝热层105的外侧，冷却罩104采用铝制材料制成。
外罐101为超临界氢储部1的最外层，绝热层102设置在外罐101的内侧，在绝热层102与冷却罩104之间设置有真空腔103。
绝热层102和绝热层105均具有多层绝热层，多层绝热层由许多高反射能力的辐射屏与低热导率的间隔物交替层组成，实施例中，辐射屏材料选用铝箔，间隔物材料选用尼龙布。
安全防护单元包括泄压管道30、波纹管27、阀门28、内罐防爆器26、安全阀25、排气阀24、压力传感器20、温度传感器21、阀门23。
阀门23设置在管道22中，阀门28、波纹管27分别设置在管道29中，波纹管27用于冷热收缩补偿。
安全阀25、排气阀24、内罐防爆器26分别设置在与内罐106连通的泄压管道30中，内罐防爆器26防止罐内压力过高，提高超临界氢储部1的安全性。通过在外罐101和内罐106中间设置冷却罩104，可以减小制冷机对储罐1内的影响，既可以将外界泄露进罐内的热量导出，又不至于增强罐1内超临界氢冷量向外界的损失。
在内罐106内部分别设置有压力传感器20、温度传感器21，主要是为了防止外界温度过高造成内罐106内氢的蒸发，使得内罐106的安全性受到影响，当测量出内罐106内压力过高时，打开排气阀24和安全阀25，将一部分蒸发的超临界氢放出，来保证氢内罐106的安全性。
冷却部包括斯特林制冷机2、太阳能电池板3、蓄电池4、温度传感器19以及冷却单元。
太阳能电池板3分别与蓄电池4和斯特林制冷机2相连，用于对蓄电池4进行充电和驱动斯特林制冷机2工作。
斯特林制冷机2具有冷头203，温度传感器19设置在冷却罩104内，温度传感器19与斯特林制冷机2的控制单元相连。
冷却单元包括导冷件107、脉动热管18、导冷件202、外壳201。
导冷件202呈筒状，套在制冷机冷头203的外侧，用来连接脉动热管。
在导冷件202外部设置有外壳201，用于固定脉动热管环路段。外壳201分为左右两部分，两部分通过焊接固定连接，构成外壳组件，外壳组件内部涂有粘合剂以固定于导冷件202之上，外部包有绝热材料。另外，由于环路管存在接口，故外壳201需加工相应的槽口。
在本实施例中，斯特林制冷机冷头203和冷却罩104之间的冷量交换主要是通过脉动热管18及导冷件202和导冷件107实现的。
冷却罩104具有一定的蓄热能力，斯特林制冷机2可以将冷量导入冷却罩104内，从而减小脉动热管18对内罐106的影响。
如图4所示，导冷件202上开有多道凹槽，用来安装脉动热管18，脉动热管18从凹槽的一侧进，绕导冷件202缠绕一圈。
导冷件107具有与冷却罩104形状相同的椭圆形形状，导冷件107套在冷却罩104上进行传热。
如图5所示，两个导冷件间的管路连接，冷却罩104端的实线管路为正视可见管路，而冷却罩104端的虚线管路则为背面的管路，实线管路和虚线管路在实际中是位于同一高度的，在导冷机构不同高度上设置多圈，主要是为了使冷却罩104的降温比较均匀。
当内罐106正常工作时，其内部的超临界氢会越存越多，但是由于外部会有一部分热量向内罐106内泄漏，当热量从外界向内罐106内泄露时，由于冷却罩104为铝制材料，具有一定的蓄热能力，所以外界的漏热量会先使冷却罩104的温度上升，由于在冷却罩104内设置有温度传感器19，当温度超过一定值后，温度传感器19会发出反馈信号使斯特林制冷机2开始工作，在斯特林制冷机冷头203上面设置有导冷件202，导冷件202内壁和制冷机冷端连接，外壁和脉动热管18连接，脉动热管18内使用的工质为N2，当热管18内充液率为0.17—0.7时，热管的操作温度范围为67—91K，可以实现冷量的传输。脉动热管的材料选用铜管，内径设置为0.1mm，管路数则不小于16路。其中斯特林制冷机2和冷却罩104中间部分的热管需要包裹绝热材料，防止冷量的泄露。斯特林制冷机2的冷量就通过冷头202和脉动热管18进入冷却罩104内，使冷却罩104的温度降低，储罐1内的温度通过温度传感器21实时监测，斯特林制冷机2对冷却罩104降温时，只需将冷却罩104温度降为和储罐1内氢能源温度相同即可。
本实施例的超临界液态氢存储系统使用超临界氢来存储氢能源，既能防止液氢在使用过程中的蒸发问题，又能保证储氢密度，不用考虑正仲氢转化热的关系，而且可以大大减少氢能源的浪费，可以显著减少超临界氢因为蒸发造成的浪费，也减小了氢存储内罐的危险性。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的超临界液态氢存储系统，因为斯特林制冷机的导冷机构和冷却罩进行连接的，并没有和储罐内部进行直接连接，所以，本发明的超临界液态氢存储系统能有效防止了超临界氢的冷量沿着导冷机构向外界泄露。
另外，在传统的高压液态储氢中，由于氢的蒸发温度很低，所以液氢很容易蒸发成为气态，储氢罐内的压力不断升高，增大了储氢罐的危险性。而本发明的超临界液态氢存储系统不存在蒸发问题。
进一步地，本实施例的超临界液态氢存储系统采用了斯特林制冷机制冷，将超临界氢气储罐内泄漏的热量向外界及时排出，储氢罐的安全性得到了很好的保障。
超临界氢储罐和高压氢气储罐相比，存储压力低，安全稳定性更好；超临界氢储罐和液氢储罐相比，存储温度高，和外界的漏热量比较少，更加容易存储。
进一步地，和传统的高压气态氢储存方式相比，在存储压力为35MPa时，高压气态氢的存储密度为23kg/m3，而采用超临界氢存储，在压力为15MPa时，储氢密度为40.13kg/m3，因此相对高压气态储氢，在存储压力更低的情况下，存储密度可达到更高值，提高了能源的利用效率。
进一步地，在制取液氢过程中，需要将氢气温度降低至20K，而本实施例中只需将氢气降温至90K，耗功减少，提高效率。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超临界液态氢存储系统，其特征在于，包括：
氢气处理部，用于将氢气处理为超临界液态氢；
超临界氢储部，具有对所述液态氢进行存储的罐体，所述罐体外设置有冷却罩；以及
冷却部，具有用于对所述冷却罩进行冷却的冷却单元，
其中，超临界氢储部包括从外至内依次设置的外罐、第一绝热层、真空腔、冷却罩、第二绝热层、内罐，
冷却部包括斯特林制冷机、温度传感器以及冷却单元，
所述斯特林制冷机具有冷头，所述温度传感器设置在所述冷却罩中，所述温度传感器与所述斯特林制冷机相连，
冷却单元包括第一导冷件、第二导冷件、脉动热管，
所述第一导冷件与所述冷头相连，所述第二导冷件与所述冷却罩相连，
所述脉动热管的一端与所述第一导冷件相连，另一端与所述第二导冷件相连，用于实现所述冷头和所述冷却罩之间的冷量交换。
2.根据权利要求1所述的超临界液态氢存储系统，其特征在于：
其中，所述氢气处理部将氢气通过液氮冷却至90K，达到超临界状态。
3.根据权利要求1所述的超临界液态氢存储系统，其特征在于：
其中，所述冷却罩设置在第二绝热层的外侧，采用铝材料制成。
4.根据权利要求1所述的超临界液态氢存储系统，其特征在于：
其中，所述冷却罩内设置有第一温度传感器，当所述冷却罩内的温度升高到预定值后，控制单元接收所述温度传感器的信号并控制所述斯特林制冷机开始工作，所述冷头通过所述脉动热管将冷量导入到所述冷却罩内，防止所述内罐内的超临界氢蒸发。
5.根据权利要求1所述的超临界液态氢存储系统，其特征在于：
其中，所述氢气处理部包括第二温度传感器、流量调节阀以及通过管道依次连通的氢气净化装置、氢气加压装置、氢气换热器，
所述流量调节阀设置在所述氢气加压装置与所述氢气换热器之间的管路中，
所述第二温度传感器设置在所述连通氢气换热器出口与所述流量调节阀的管路中，
当温度变化时，所述流量调节阀的开度大小根据所述第二温度传感器的反馈信号进行调整。
6.根据权利要求1所述的超临界液态氢存储系统，其特征在于：
其中，所述内罐内部设置有压力传感器用于测量所述内罐内氢的压力。
7.根据权利要求1所述的超临界液态氢存储系统，其特征在于：
其中，所述冷却部还包括太阳能电池板和蓄电池，
所述太阳能电池板分别与所述蓄电池和所述斯特林制冷机相连，用于对所述蓄电池进行充电和驱动所述斯特林制冷机工作。
8.根据权利要求1所述的超临界液态氢存储系统，其特征在于：
其中，所述第一导冷件上设置有多道凹槽，用来安装所述脉动热管。
9.根据权利要求1所述的超临界液态氢存储系统，其特征在于：
其中，所述脉动热管的材料选用铜管，其内径设置为0.05-0.2mm，管路数量大于16。
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