CN110939861A - 液氢加氢站的输送系统和液氢加氢站 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种液氢加氢站的输送系统和加氢站，属于加氢站领域。该加氢站包括加氢机，该系统包括：蒸发器、冷却器、输氢管路以及循环管路，其中，所述蒸发器通过所述输氢管路连接液氢源提供的液氢，且所述液氢在所述蒸发器中汽化；所述冷却器通过所述输氢管路连接在所述加氢机和所述蒸发器之间，用于将所汽化的液氢冷却；以及所述循环管路在所述蒸发器与所述冷却器之间，且在连通性上与所述输氢管路独立，所述循环管路内具有换热介质，使所述换热介质在所述蒸发器和所述冷却器之间循环以在所述蒸发器内与所述液氢进行热交换以及在所述冷却器内与所汽化的液氢进行热交换。该液氢加氢站的输送系统和液氢加氢站可以减少加氢站的能耗。

Description

液氢加氢站的输送系统和液氢加氢站
技术领域
本发明涉及加氢站，具体地涉及一种液氢加氢站的输送系统和液氢加氢站。
背景技术
氢气通过加氢站加氢机对燃料电池汽车进行加注，并以高压形式储存在车载氢气瓶中，主流储存压力分为35MPa和70MPa两种。
高压氢气在储氢瓶内膨胀，由于氢气的焦汤效应，瓶内温度上升。由于加注速度快，车载储氢瓶不能及时散热，因此造成储氢瓶内温度快速上升，有可能超过目前国际标准规定的85℃，带来极大安全隐患。35MPa压力等级的加氢过程温升相对较低，通过设置加氢机的加氢控制程序，可保证加氢过程温升在允许范围内。然而，为了车辆续驶里程考虑，70MPa储氢技术的应用越来越多。70MPa加注氢气处于高速流动及膨胀中，温升急剧增加，如果还采取35MPa的加注模式，将造成加氢时间非常长。
在国外的加氢站大多在气源与加氢机之间加入了制冷循环系统，能有效地控制加注过程中车载储氢容器内的温度，实现安全可靠的快速加气。在70MPa氢气加注设备中加入制冷系统并优化后，加注过程中车载氢气瓶的最高温度可控制在小于85℃，且加注用时明显缩短。但是，纯靠电能等能源制冷来冷却高压氢气，电耗较大，加氢站耗能比较严重。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种液氢加氢站的输送系统和液氢加氢站，该液氢加氢站的输送系统和液氢加氢站可以减少加氢站的能耗。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种液氢加氢站的输送系统，该加氢站包括加氢机，该系统包括：蒸发器、冷却器、输氢管路以及循环管路，其中，所述蒸发器通过所述输氢管路连接液氢源提供的液氢，且所述液氢在所述蒸发器中汽化；所述冷却器通过所述输氢管路连接在所述加氢机和所述蒸发器之间，用于将所汽化的液氢冷却；以及所述循环管路在所述蒸发器与所述冷却器之间，且在连通性上与所述输氢管路相互独立，所述循环管路内具有换热介质，使所述换热介质在所述蒸发器和所述冷却器之间循环以在所述蒸发器内与所述液氢进行热交换以及在所述冷却器内与所汽化的液氢进行热交换。
优选地，该系统还包括：循环装置，连接所述循环管路，用于使所述换热介质在所述循环管路内循环流动。
优选地，所述循环管路为2段，分别连通所述蒸发器和所述冷却器。
优选地，所述循环管路穿过所述蒸发器和所述冷却器。
优选地，使所述换热介质在所述蒸发器和所述冷却器之间循环以分别在所述蒸发器和所述冷却器内与所述液氢和所汽化的液氢进行热交换包括：在所述蒸发器内所述液氢吸热，所述换热介质放热，使所述换热介质的温度下降；以及在所述冷却器内所述换热介质吸热，所汽化的液氢放热，使所述换热介质的温度上升。
优选地，所述换热介质是液体或气体。
优选地，所述换热介质的熔点小于-50℃。
优选地，所述液体的沸点大于-30℃。
优选地，所述液体为酒精、乙醚、二氯二氟甲烷、氟氯甲烷和三氟一氯甲烷的其中一者。
本发明实施例还提供一种液氢加氢站，该液氢加氢站包括上文所述的液氢加氢站的输送系统。
通过上述技术方案，采用本发明提供的液氢加氢站的输送系统和液氢加氢站，该加氢站包括加氢机，该系统包括：蒸发器、冷却器、输氢管路以及循环管路，其中，所述液氢在所述蒸发器中汽化；所述冷却器用于将所汽化的液氢冷却；以及所述循环管路内具有换热介质，使所述换热介质在所述蒸发器和所述冷却器之间循环以在所述蒸发器内与所述液氢进行热交换以及在所述冷却器内与所汽化的液氢进行热交换。本发明通过利用在液氢汽化时降温的换热介质来辅助冷却汽化的液氢，可以减少冷却汽化的液氢的制冷电耗，降低加氢站的能耗。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的液氢加氢站的输送系统的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的液氢加氢站的输送系统的结构示意图；
图3是本发明另一实施例提供的液氢加氢站的输送系统的结构示意图。
附图标记说明
1 蒸发器 2 冷却器
3 输氢管路 4 循环管路
5 加氢机
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1是本发明一实施例提供的液氢加氢站的输送系统的结构示意图。如图1所示，该加氢站包括加氢机5，该系统包括：蒸发器1、冷却器2、输氢管路3以及循环管路4，其中，所述蒸发器1通过所述输氢管路3连接液氢源提供的液氢，且所述液氢在所述蒸发器1中汽化；所述冷却器2通过所述输氢管路3连接在所述加氢机5和所述蒸发器1之间，用于将所汽化的液氢冷却；以及所述循环管路4在所述蒸发器1与所述冷却器2之间，且在连通性上与所述输氢管路3相互独立，所述循环管路4内具有换热介质，使所述换热介质在所述蒸发器1和所述冷却器2之间循环以在所述蒸发器1内与所述液氢进行热交换以及在所述冷却器2内与所汽化的液氢进行热交换。
本发明主要针对需要设置冷却系统的加氢站，例如70Mpa加氢站。在本发明实施例中，液氢源可以是存储液氢的液氢储罐以及输送液氢的输送泵组成，输送泵用于将液氢从液氢储罐中输送到蒸发器1。总所周知，液氢的沸点为-259℃左右，极容易汽化，因此，本发明实施例设置一个供液氢汽化的容器，即蒸发器1，在蒸发器1内液氢会与外界物质热交换，大量吸热汽化变为气态。对外界物质来说，事实上，该热交换过程等于对外界物质进行降温，相当于一个制冷过程。
在现有技术中，为了避免氢气在车载的储氢瓶内膨胀，车载储氢瓶不能及时散热，因此造成储氢瓶内温度快速上升，有可能超过目前国际标准规定的85℃，带来极大安全隐患，因此使用制冷设备进行制冷来对汽化的液氢进行降温是有效的策略，但是现有技术中液氢汽化进行热交换形成的制冷过程完全未能得到利用。
本发明实施例利用该液氢汽化过程中使外界物质降温的原理，在蒸发器1和冷却器2之间设置循环管路4，并在循环管路4中设置换热介质，在连通性上循环管路4与输氢管路3相互独立，即不连通，避免换热介质与液氢或液化的液氢混合。循环管路4的设置可以使换热介质作为外界物质与液氢进行热交换，在液氢汽化时，换热介质降温，并随后使降温后的换热介质来到冷却器2与汽化的液氢进行热交换，辅助制冷设备对汽化的液氢进行降温，可以使得制冷设备减少制冷量，从而降低加氢站的能耗。
换热介质在蒸发器1和冷却器2内分别与液氢和所汽化的液氢进行热交换的具体过程为：在蒸发器1内所述液氢吸热，换热介质放热，使换热介质的温度下降；以及在冷却器2内换热介质吸热，所汽化的液氢放热，使换热介质的温度上升。随后，换热介质再次流向蒸发器1，在蒸发器1内放热，如此循环。
为了使换热介质更好地在循环管路4中流动，本发明实施例还设置连接所述循环管路4的循环装置，仅需提供极少的外力，使换热介质在循环管路4内以顺时针或逆时针单方向循环流动以进行上述反复的放热吸热过程。
循环管路4在蒸发器1与冷却器2之间可以使该输送系统有两种结构，以下详述该输送系统的两种结构。
图2是本发明另一实施例提供的液氢加氢站的输送系统的结构示意图。如图2所示，所述循环管路4为2段，分别连通所述蒸发器1和所述冷却器2。
在本实施例中，两段循环管路4不连通，而是每段循环管路4分别各自连通蒸发器1和冷却器2，形成蒸发器1-循环管路4-冷却器2-循环管路4-蒸发器1的循环回路，换热介质在该循环回路中以顺时针或逆时针单方向循环流动。
为了避免换热介质与液氢混合，输氢管路3与循环管路4不连通，在本实施例中，输氢管路3可以穿过蒸发器1和冷却器2。图2中仅示出了常规的管路形状的输氢管路3，但是本发明实施例并不对输氢管路3的形状进行限制。
如本实施例的设置方式，换热介质处于蒸发器1和冷却器2中，当液氢在输氢管路3中通过蒸发器1时，与蒸发器1内的换热介质进行热交换，液氢汽化，使换热介质的温度降低。随后，温度降低的换热介质流动至冷却器2中，当汽化的液氢在输氢管路3中通过冷却器2时，与温度降低的换热介质进行热交换(还可以同时与制冷系统提供的冷却液进行热交换)，液氢进行冷却，换热介质温度上升，随后，温度上升的换热介质再流动回蒸发器1中。
图3是本发明另一实施例提供的液氢加氢站的输送系统的结构示意图。如图3所示，所述循环管路4穿过所述蒸发器1和所述冷却器2。
在本实施例中，循环管路4可以是一个闭合的管路，穿过蒸发器1和冷却器2，循环管路4自身形成循环回路，换热介质在该循环回路中以顺时针或逆时针单方向循环流动。图3中仅示出了常规的管路形状的循环管路4，但是本发明实施例并不对循环管路4的形状进行限制。
为了避免换热介质与液氢混合，输氢管路3与循环管路4不连通，同时为了热交换充分，在本实施例中，输氢管路3不再通过蒸发器1和冷却器2，而是仅连通蒸发器1和冷却器2。
如本实施例的设置方式，液氢处于蒸发器1中，所汽化的液氢处于冷却器2中，当换热介质在循环管路4中通过蒸发器1时，与蒸发器1内的液氢进行热交换，液氢汽化，使换热介质的温度降低。随后，温度降低的换热介质进行流动，与冷却器2中的汽化的液氢进行热交换，汽化的液氢进行冷却，换热介质温度上升，随后，温度上升的换热介质继续流动以与蒸发器1中的液氢再次热交换。
以下具体详述换热介质相关特征。
由于换热介质需要循环流动，因此要具备较好的流动性。液体和气体均符合要求，固体则难以作为换热介质。在本发明实施例中，对于液体和气体来说，作为换热介质液体要更优于气体。
由于加氢站实际运行要求，一般加氢站的液氢输送过程中，整个输送系统的温度处于-30℃～-50℃之间。即可以理解为，换热介质也处于该温度区间内，在冷却器2处换热介质由于吸热，温度最高；在蒸发器1处换热介质由于放热，温度最低。如上所述，本发明实施例中，由于固体难以作为换热介质，因此需要保证换热介质不能在该温度区间时变为固态。因此，在换热介质为气体时，该气体的熔点(也可以为凝固点)需要小于最低温度，保证在最低温度时不凝固为固态，即小于-50℃。而最优选的方式中使用换热介质为液体，则保证液体的熔点(也可以为凝固点)小于-50℃的同时，还要保证该液体不能汽化，该气体的沸点需要大于最高温度，即大于-30℃。
由于上述要求，本发明实施例可以使用以下一些液体作为换热介质：
酒精、乙醚、二氯二氟甲烷、氟氯甲烷或三氟一氯甲烷。
上述仅作为示例举出一些符合要求的液体，并非所有符合要求的液体，只要熔点小于-50℃，沸点大于-30℃的液体，以及没有固定熔沸点，但-50℃以上温度不凝固，-30℃以下温度不汽化的混合液体都可以用作本发明的换热介质。同时，熔点(也可以为凝固点)小于-50℃的气体，以及没有固定熔沸点，但-50℃以上温度不凝固的混合气体也可以作为换热介质，甚至空气同样符合要求。
为了更清楚地说明本发明的技术方案，以下详述两种具体的实施例：
1、本实施例中，两段循环管路4不连通，而是每段循环管路4分别各自连通蒸发器1和冷却器2，换热介质在该循环回路中以逆时针单方向循环流动，输氢管路3穿过蒸发器1和冷却器2，换热介质为熔点-209℃的氮气。氮气处于蒸发器1和冷却器2中，当液氢在输氢管路3中通过蒸发器1时，与蒸发器1内的氮气进行热交换，液氢汽化，使氮气的温度降低，但不会凝固。随后，温度降低的氮气流动至冷却器2中，当汽化的液氢在输氢管路3中通过冷却器2时，与温度降低的氮气进行热交换，液氢进行冷却，氮气温度上升，随后，温度上升的氮气再流动回蒸发器1中。
2、本实施例中，循环管路4是一个闭合的管路，穿过蒸发器1和冷却器2，循环管路4自身形成循环回路，换热介质在该循环回路中以顺时针单方向循环流动，输氢管路3连通蒸发器1和冷却器2，换热介质为熔点为-117℃，沸点为78℃的酒精。当酒精在循环管路4中通过蒸发器1时，与蒸发器1内的液氢进行热交换，液氢汽化，使酒精的温度降低，但不会凝固。随后，温度降低的酒精进行流动，与冷却器2中的汽化的液氢进行热交换，汽化的液氢进行冷却，酒精温度上升，但不会汽化，随后，温度上升的酒精继续流动以与蒸发器1中的液氢再次热交换。
本发明实施例还提供一种液氢加氢站，该液氢加氢站包括上文所述的液氢加氢站的输送系统。
通过上述技术方案，采用本发明提供的液氢加氢站的输送系统和液氢加氢站，该加氢站包括加氢机，该系统包括：蒸发器、冷却器、输氢管路以及循环管路，其中，所述液氢在所述蒸发器中汽化；所述冷却器用于将所汽化的液氢冷却；以及所述循环管路内具有换热介质，使所述换热介质在所述蒸发器和所述冷却器之间循环以在所述蒸发器内与所述液氢进行热交换以及在所述冷却器内与所汽化的液氢进行热交换。本发明通过利用在液氢汽化时降温的换热介质来辅助冷却汽化的液氢，可以减少冷却汽化的液氢的制冷电耗，降低加氢站的能耗。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种液氢加氢站的输送系统，该加氢站包括加氢机，其特征在于，该系统包括：
蒸发器、冷却器、输氢管路以及循环管路，其中，
所述蒸发器通过所述输氢管路连接液氢源提供的液氢，且所述液氢在所述蒸发器中汽化；
所述冷却器通过所述输氢管路连接在所述加氢机和所述蒸发器之间，用于将所汽化的液氢冷却；以及
所述循环管路在所述蒸发器与所述冷却器之间，且在连通性上与所述输氢管路相互独立，所述循环管路内具有换热介质，使所述换热介质在所述蒸发器和所述冷却器之间循环以在所述蒸发器内与所述液氢进行热交换以及在所述冷却器内与所汽化的液氢进行热交换。
2.根据权利要求1所述的液氢加氢站的输送系统，其特征在于，该系统还包括：
循环装置，连接所述循环管路，用于使所述换热介质在所述循环管路内循环流动。
3.根据权利要求1所述的液氢加氢站的输送系统，其特征在于，所述循环管路为2段，分别连通所述蒸发器和所述冷却器。
4.根据权利要求1所述的液氢加氢站的输送系统，其特征在于，所述循环管路穿过所述蒸发器和所述冷却器。
5.根据权利要求1所述的液氢加氢站的输送系统，其特征在于，使所述换热介质在所述蒸发器和所述冷却器之间循环以分别在所述蒸发器和所述冷却器内与所述液氢和所汽化的液氢进行热交换包括：
在所述蒸发器内所述液氢吸热，所述换热介质放热，使所述换热介质的温度下降；以及
在所述冷却器内所述换热介质吸热，所汽化的液氢放热，使所述换热介质的温度上升。
6.根据权利要求1所述的液氢加氢站的输送系统，其特征在于，所述换热介质是液体或气体。
7.根据权利要求6所述的液氢加氢站的输送系统，其特征在于，所述换热介质的熔点小于-50℃。
8.根据权利要求6所述的液氢加氢站的输送系统，其特征在于，所述液体的沸点大于-30℃。
9.根据权利要求8所述的液氢加氢站的输送系统，其特征在于，所述液体为酒精、乙醚、二氯二氟甲烷、氟氯甲烷和三氟一氯甲烷的其中一者。
10.一种液氢加氢站，其特征在于，该液氢加氢站包括权利要求1-9中任意一项权利要求所述的液氢加氢站的输送系统。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112610881A (zh) * 2020-11-29 2021-04-06 沪东重机有限公司 一种可调压汽化器及调压方法
CN113739064A (zh) * 2021-09-16 2021-12-03 北京航天试验技术研究所 一种氢汽化循环系统

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