CN111536418B - 一种热量自循环利用的海上合金储氢氢气补给系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢能源技术领域,尤其是一种热量自循环利用的海上合金储氢氢气补给系统及方法。本发明的补给系统包括有机液体储罐,所述有机液体储罐出料口通过输液管路连接预热器进料口,预热器出料口通过输液管路连接脱氢反应器进料口;所述脱氢反应器出料口连接气液分离器进料口,气液分离器上部出气口通过输气管连接氢气提纯器进气口,气液分离器下部出料口通过输液管路连接换热器进料口;本发明的补给方法包括准备工作、循环冷却单元启动、氢气加注和关闭补给系统几个步骤。本发明能够避免水下航行器频繁返回特定港口基地进行氢气补给,提高了水下航行器工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及氢能源技术领域,尤其是一种热量自循环利用的海上合金储氢氢气补给系统及方法。
背景技术
海洋覆盖着大约70%的地球表面积,海洋资源的开发和利用、海洋权益的维护离不开潜艇、UUV等水下航行器的发展。水下续航能力是水下航行器在水下能够长时间生存和作业的前提,动力装置是决定水下航行器水下续航性能优劣的关键因数。
燃料电池动力装置作为新一代水下动力装置,由于能量转换效率高、工作时噪声低、无废物排放、红外特征低、工作潜深大、配置机动灵活等优势,受到广泛关注。燃料电池使用氢气和氢气分别作为燃料和氧化剂,通过电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能。氢源是燃料电池动力装置重要的组成部分,合金储氢技术具有氢气纯度高、体积能量密度高、安全性高的特性,适宜用于水下动力装置。
合金储氢技术具有可逆吸放氢的特性,通过在特定的温度与压力条件下,让氢与金属结合形成金属氢化物,当外界有热量加给金属氢化物时,它就分解释放出氢气。外界给合金储氢罐进行氢气补给时,在补给起始阶段,罐内的合金储氢材料在吸氢过程中放出大量热量,导致罐内温度升高,抑制了合金储氢材料的吸氢速率。需经一段时间,当储氢罐内部热量散发、温度降低后,才能继续进行补给工作,大大延长了氢气补给时间。
限制以燃料电池作为动力的水下航行器发展的一个重要原因就是由于携带氢气有限,且氢气补给要求非常高。航行器在工作一段时间后,在氢气即将消耗完前,必须停止作业、返回特定的港口保障基地进行氢气补给,极大限制了航行器的工作范围,降低了工作效率。
氢气具有易燃、易爆、易泄漏的特点,目前还未有在海面上直接进行氢气补给的方式。现有技术中,车用加氢站的氢气补给方式主要是通过高压大容量气态储氢对需要补给的燃料电池汽车进行氢气充装。高压气态储氢技术通过将气态氢气直接储存在容器之中,一般高达几十兆帕。如采用高压气态储氢的方式作为海上氢气补给的氢源,在海面冲击、摇摆环境下,存在严重安全隐患。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点,提供一种热量自循环利用的海上合金储氢氢气补给系统及方法,能够避免水下航行器频繁返回特定港口基地进行氢气补给,提高了水下航行器工作效率,能够实现长距离、长期性的存储和运输,提高了安全性能。
本发明所采用的技术方案如下:
一种热量自循环利用的海上合金储氢氢气补给系统,包括有机液体储罐,所述有机液体储罐出料口通过输液管路连接预热器进料口,预热器出料口通过输液管路连接脱氢反应器进料口;所述脱氢反应器出料口连接气液分离器进料口,气液分离器上部出气口通过输气管连接氢气提纯器进气口,气液分离器下部出料口通过输液管路连接换热器进料口,所述换热器出料口通过管路连接原料回收罐;
所述氢气提纯器中部出气口通过输气管路连接氢气储罐进气口,氢气提纯器底部杂质出口通过输气管路连接杂质回收罐,氢气提纯器中部出气口和氢气储罐进气口之间的输气管路上依次设有增压器和冷却器;所述氢气储罐出气口上设有减压阀,氢气储罐出气口通过氢气加注管路连接氢气加注接头进气口,氢气加注接头出气口连接合金储氢罐进气口;
所述合金储氢罐的换热出口通过输液管路连接换热器进水口,换热器出水口通过输液管路连接预热器进水口;所述预热器出水口通过输液管路连接水箱进水口,水箱出水口通过输液管路连接制冷机组进水口,制冷机组出水口通过输液管路连接合金储氢罐的换热进口。
进一步的,有机液体储罐出料口和预热器进料口之间的输液管路上设有循环泵。
进一步的,氢气提纯器中部出气口和氢气储罐进气口之间的输气管路上设有单向阀,高纯氢气只能从氢气提纯器单向流向氢气储罐。
进一步的,合金储氢罐包括罐体,罐体内装填合金储氢材料,罐体一端设有进气口、换热进口和换热出口,罐体内设有换热结构,换热结构分别与换热进口和换热出口连接。
进一步的,氢气加注管路上设有质量流量计。
进一步的,氢气加注管路上设有真空泵。
进一步的,氢气加注管路上设有排空阀。
进一步的,制冷机组出水口和合金储氢罐的换热进口之间的输液管路上设有循环水泵。
一种热量自循环利用的海上合金储氢氢气补给方法,包括如下步骤:
准备工作:将所述的补给系统设置在保障母船船坞中,在需要对水下航行器进行氢气补给时,将水下航行器驶入保障母船船坞中,并将水下航行器的氢气补给接头与所述补给系统的氢气加注接头连接;为保证充氢气时的安全性,在氢气进入氢气加注管路之前,先对氢气加注管路进行抽真空,抽真空时,将合金储氢罐进气口、排空阀和单向阀关闭,打开减压阀和真空泵,通过真空泵将氢气加注管路中的杂质抽出,当氢气加注管路中真空度达到-0.1MPa时抽真空完毕,先关闭真空泵,然后依次打开单向阀和合金储氢罐进气口;
循环冷却单元启动:氢气加注管路抽真空完毕后,打开水箱出水口,开启制冷机组和循环水泵,水箱中流出的去离子水经过制冷机组降温冷却后形成低温去离子水,低温去离子水的温度范围为5~10℃,低温去离子水流入合金储氢罐的换热进口中,并进入换热结构进行换热;
氢气加注:循环冷却单元启动完毕后,开启循环泵,抽取有机液体储罐中的有机液体氢化物材料,抽取的有机液体氢化物材料经过循环泵后流过预热器,由预热器对有机液体氢化物材料进行预热,有机液体氢化物材料预热要求达到的温度范围为120~150℃,预热后的有机液体氢化物材料进入脱氢反应器,脱氢反应器中的有机液体氢化物材料发生脱氢分解反应生成氢气和有机液体原料的气液混合物,气液混合物流入气液分离器中分离成气态氢气和液态高温有机液体原料,液态高温有机液体原料从气液分离器下部出料口流入换热器进料口,再从换热器出料口流出并进入原料回收罐中储存,氢气从气液分离器上部出气口进入氢气提纯器中,氢气提纯器中提纯产生的杂质流入杂质回收罐中,提纯产生的高纯氢气进入增压器中加压至设定压力,高纯氢气的纯度要求大于等于99.999%,设定压力大于等于5MPa,加压后的高纯氢气再进入冷却器进行冷却降温,高纯氢气要求冷却降温至-40℃,冷却降温后的高压高纯氢气进入氢气储罐中储存,氢气储罐中储存的氢气再经过氢气加注接头流入水下航行器的合金储氢罐中进行氢气补给;
在进行氢气加注的同时,进入合金储氢罐的换热进口的低温去离子水吸收合金储氢材料在吸氢过程中释放的热量并提升到一定温度,升温后的去离子水从合金储氢罐的换热出口流出进入换热器进水口,与换热器中的高温有机液体原料发生换热并形成高温去离子水,高温去离子水进入预热器中与有机液体氢化物材料发生热交换又变成低温去离子水,低温去离子水通过输液管路返回水箱中,形成了水路循环与热量循环利用的功能;
关闭补给系统:氢气加注时,根据质量流量计检测、计量氢气补给总量,判断氢气补给过程是否完成,当质量流量计显示达到设定的补给总量时,先关闭循环泵、预热器、脱氢反应器、气液分离器和氢气提纯器,然后依次关闭增压器、单向阀和减压阀,接着断开氢气加注接头,最后关闭循环水泵和制冷机组,完成整个补给系统关闭后,驾驶水下航行器离开保障母船船坞。
本发明的有益效果如下:
本发明的氢气补给方法能够避免水下航行器频繁返回特定港口基地进行氢气补给,提高了水下航行器工作效率;采用有机液体氢化物作为海上补给氢源,非工作状态下,有机液体氢化物材料以液态安全稳定存于母船上的储罐中,能够实现长距离、长期性的存储和运输,相比于传统的氢气补给方式中氢以高压气态存在于高压容器中,安全性较好;本发明通过去离子水为介质依次回收合金储氢材料在吸收氢气过程中释放的热量和有机液体氢化物材料脱氢反应过程中产生的热量,对有机液体氢化物材料进行预热,实现热量的高效利用;本发明中使用去离子水作为传热介质,不会堵塞、腐蚀合金储氢罐内部的换热结构,使用制冷机组对去离子水降温,低温冷却水能够快速带走合金储氢罐充氢时产生的大量热量,加快合金材料吸收氢速率,减少氢气补给时间;本发明采用的有机液体氢化物材料储氢密度高,制得的氢气纯度高,使用完后方便补充,操作性良好;同时,脱氢后的有机液体原料可回收催化加氢再生成有机液体氢化物材料,重复利用,经济节约。
附图说明
图1为本发明的补给系统结构原理图。
其中:1、有机液体储罐;2、循环泵;3、预热器;4、脱氢反应器;5、气液分离器;6、换热器;7、原料回收罐;8、氢气提纯器;9、杂质回收罐;10、增压器;11、冷却器;12、氢气储罐;13、质量流量计;14、真空泵;15、氢气加注接头;16、合金储氢罐;161、罐体;162、换热结构;17、循环水泵;18、制冷机组;19、水箱;20、单向阀;21、减压阀;22、排空阀。
具体实施方式
下面结合附图,说明本发明的具体实施方式。
如图1所示,本发明的补给系统主要包括有机液体储罐1,有机液体储罐1是用于储存有机液体氢化物材料的容器,有机液体储罐1上设有用于外界补充有机液体氢化物材料的补液口。有机液体储罐1中储存的有机液体氢化物可以是不饱和芳香杂环有机物或己环类有机物。
如图1所示,有机液体储罐1出料口通过输液管路连接预热器3进料口,预热器3用于将输送来的有机液体储氢氢化物材料进行预热,预热器3出料口通过输液管路连接脱氢反应器4进料口,脱氢反应器4利用脱氢反应将从预热器3输送来的有机液体氢化物材料分解成氢气和有机液体原料。
如图1所示,为了提高输液管路中物料的流动速度,有机液体储罐1出料口和预热器3进料口之间的输液管路上设有循环泵2,循环泵2用于有机液体氢化物材料的输送。
如图1所示,脱氢反应器4出料口连接气液分离器5进料口,气液分离器5上部出气口通过输气管连接氢气提纯器8进气口,气液分离器5下部出料口通过输液管路连接换热器6进料口,脱氢反应器4中产生的氢气和有机液体原料进入气液分离器5中进行分离,氢气从气液分离器5上部出气口进入氢气提纯器8中,高温的有机液体原料从气液分离器5下部出料口进入换热器6中进行冷热交换。换热器6出料口通过管路连接原料回收罐7,原料回收罐7用于回收从换热器6完成冷热交换出来的低温有机液体原料。
如图1所示,氢气提纯器8用于将气液分离器7中分离出来的氢气去除杂质气体提纯至高纯氢。氢气提纯器8底部杂质出口通过输气管路连接杂质回收罐9,氢气提纯器8中分离出来的杂质气体通过输气管路进入杂质回收罐9中。氢气提纯器8中部出气口通过输气管路连接氢气储罐12进气口,氢气提纯器8提纯后的高纯氢进入氢气储罐12中进行存放。
如图1所示,为了给氢气提纯器8提纯后的高纯氢加压和降温,氢气提纯器8中部出气口和氢气储罐12进气口之间的输气管路上依次设有增压器10和冷却器11,增压器10用于对高纯氢加压,冷却器11用于对高压纯氢降温。
如图1所示,为了控制氢气提纯器8中部出气口和氢气储罐12进气口之间输气管路的单向流动,氢气提纯器8中部出气口和氢气储罐12进气口之间的输气管路上设有单向阀20,高纯氢气只能从氢气提纯器8单向流向氢气储罐12。
如图1所示,氢气储罐12出气口通过氢气加注管路连接氢气加注接头15进气口,氢气加注接头15出气口连接合金储氢罐16进气口。合金储氢罐16包括罐体161,罐体161内装填合金储氢材料,合金储氢材料可以是TiFe、LaNi5等材料,罐体161一端设有进气口、换热进口和换热出口,罐体161内设有换热结构162,换热结构162分别与换热进口和换热出口连接。
如图1所示,为了降低氢气储罐12出口的氢气压力,氢气储罐12出气口上设有减压阀21。为了检测、计量充入合金储氢罐16内高纯氢的质量,氢气加注管路上设有质量流量计13。为了在氢气加注时抽真空氢气加注管路,氢气加注管路上设有真空泵14。为了保护氢气加注管路的管路安全,氢气加注管路上设有排空阀22。
如图1所示,合金储氢罐16的换热出口通过输液管路连接换热器6进水口,换热器6出水口通过输液管路连接预热器3进水口。循环热水从合金储氢罐16的换热出口出来并通过输液管路进入换热器6进水口,完成换热后的高温水从换热器6出水口出来通过输液管路进入预热器3进水口中,对预热器3中的有机液体氢化物材料进行预加热。气液分离器出来的高温有机液体原料进入换热器6中对循环热水进行加热,换热后的低温有机液体原料进入原料回收罐7中存放。
如图1所示,预热器3出水口通过输液管路连接水箱19进水口,水箱19出水口通过输液管路连接制冷机组18进水口,制冷机组18出水口通过输液管路连接合金储氢罐16的换热进口。水箱19中存储去离子水,制冷机组18能够对水箱19中出来的水进行制冷,然后提供给合金储氢罐16进行换热。
如图1所示,制冷机组18出水口和合金储氢罐16的换热进口之间的输液管路上设有循环水泵17。
本发明的补给方法包括如下步骤:
(1).准备工作:将本发明的补给系统设置在保障母船船坞中,在需要对水下航行器进行氢气补给时,将水下航行器驶入保障母船船坞中,并将水下航行器的氢气补给接头与补给系统的氢气加注接头15连接;为保证充氢气时的安全性,在氢气进入氢气加注管路之前,先对氢气加注管路进行抽真空,抽真空时,将合金储氢罐16进气口、排空阀22和单向阀20关闭,打开减压阀21和真空泵14,通过真空泵14将氢气加注管路中的杂质抽出,当氢气加注管路中真空度达到-0.1MPa时抽真空完毕,先关闭真空泵14,然后依次打开单向阀20和合金储氢罐16进气口。
(2).循环冷却单元启动:氢气加注管路抽真空完毕后,打开水箱19出水口,开启制冷机组18和循环水泵17,水箱19中流出的去离子水经过制冷机组18降温冷却后形成低温去离子水,低温去离子水的温度范围为5~10℃,低温去离子水流入合金储氢罐16的换热进口中,并进入换热结构进行换热。
(3).氢气加注:循环冷却单元启动完毕后,开启循环泵2,抽取有机液体储罐1中的有机液体氢化物材料,抽取的有机液体氢化物材料经过循环泵2后流过预热器3,由预热器3对有机液体氢化物材料进行预热,有机液体氢化物材料预热要求达到的温度范围为120~150℃,预热后的有机液体氢化物材料进入脱氢反应器4,脱氢反应器4中的有机液体氢化物材料发生脱氢分解反应生成氢气和有机液体原料的气液混合物,气液混合物流入气液分离器5中分离成气态氢气和液态高温有机液体原料,液态高温有机液体原料从气液分离器5下部出料口流入换热器6进料口,再从换热器6出料口流出并进入原料回收罐7中储存,氢气从气液分离器5上部出气口进入氢气提纯器8中,氢气提纯器8中提纯产生的杂质流入杂质回收罐9中,提纯产生的高纯氢气(进入增压器10中加压至设定压力,高纯氢气的纯度要求大于等于99.999%,设定压力大于等于5MPa,加压后的高纯氢气再进入冷却器11进行冷却降温,高纯氢气要求冷却降温至-40℃,冷却降温后的高压高纯氢气进入氢气储罐12中储存,氢气储罐12中储存的氢气再经过氢气加注接头15流入水下航行器的合金储氢罐16中进行氢气补给;
在进行氢气加注的同时,进入合金储氢罐16的换热进口的低温去离子水吸收合金储氢材料在吸氢过程中释放的热量并提升到一定温度,升温后的去离子水从合金储氢罐16的换热出口流出进入换热器6进水口,与换热器6中的高温有机液体原料发生换热并形成高温去离子水,高温去离子水进入预热器3中与有机液体氢化物材料发生热交换又变成低温去离子水,低温去离子水通过输液管路返回水箱19中,形成了水路循环与热量循环利用的功能。
(4)关闭补给系统:氢气加注时,根据质量流量计13检测、计量氢气补给总量,判断氢气补给过程是否完成,当质量流量计13显示达到设定的补给总量时,先关闭循环泵2、预热器3、脱氢反应器4、气液分离器5和氢气提纯器8,然后依次关闭增压器10、单向阀20和减压阀21,接着断开氢气加注接头15,最后关闭循环水泵17和制冷机组18,完成整个补给系统关闭后,驾驶水下航行器离开保障母船船坞。
本发明具体使用高储氢容量、安全稳定的有机液体储氢技术作为氢源,通过制氢、提纯、加注等步骤对合金储氢罐进行氢气补给;同时采取去离子水作为传热介质,通过冷却单元作为合金储氢罐的散热措施,并将合金储氢罐产生的热量回收用来对有机液体氢化物材料进行预热,通过在保障母船上配备该系统,水下航行器在工作区域就可以浮出海面、进入保障母船船坞,直接完成合金储氢罐的高效氢气补给。
以上描述是对本发明的解释,不是对发明的限定,本发明所限定的范围参见权利要求,在本发明的保护范围之内,可以作任何形式的修改。
Claims (2)
1.一种热量自循环利用的海上合金储氢氢气补给系统,包括有机液体储罐(1),其特征在于:所述有机液体储罐(1)出料口通过输液管路连接预热器(3)进料口,预热器(3)出料口通过输液管路连接脱氢反应器(4)进料口;所述脱氢反应器(4)出料口连接气液分离器(5)进料口,气液分离器(5)上部出气口通过输气管连接氢气提纯器(8)进气口,气液分离器(5)下部出料口通过输液管路连接换热器(6)进料口,所述换热器(6)出料口通过管路连接原料回收罐(7);
所述氢气提纯器(8)中部出气口通过输气管路连接氢气储罐(12)进气口,氢气提纯器(8)底部杂质出口通过输气管路连接杂质回收罐(9),氢气提纯器(8)中部出气口和氢气储罐(12)进气口之间的输气管路上依次设有增压器(10)和冷却器(11);所述氢气储罐(12)出气口上设有减压阀(21),氢气储罐(12)出气口通过氢气加注管路连接氢气加注接头(15)进气口,氢气加注接头(15)出气口连接合金储氢罐(16)进气口;
所述合金储氢罐(16)的换热出口通过输液管路连接换热器(6)进水口,换热器(6)出水口通过输液管路连接预热器(3)进水口;所述预热器(3)出水口通过输液管路连接水箱(19)进水口,水箱(19)出水口通过输液管路连接制冷机组(18)进水口,制冷机组(18)出水口通过输液管路连接合金储氢罐(16)的换热进口;
所述有机液体储罐(1)出料口和预热器(3)进料口之间的输液管路上设有循环泵(2);所述氢气提纯器(8)中部出气口和氢气储罐(12)进气口之间的输气管路上设有单向阀(20),高纯氢气只能从氢气提纯器(8)单向流向氢气储罐(12);所述氢气加注管路上设有质量流量计(13);所述氢气加注管路上设有真空泵(14);所述氢气加注管路上设有排空阀(22);所述制冷机组(18)出水口和合金储氢罐(16)的换热进口之间的输液管路上设有循环水泵(17);
所述合金储氢罐(16)包括罐体(161),罐体(161)内装填合金储氢材料,罐体(161)一端设有进气口、换热进口和换热出口,罐体(161)内设有换热结构(162),换热结构(162)分别与换热进口和换热出口连接。
2.一种利用权利要求1所述的热量自循环利用的海上合金储氢氢气补给系统的方法,其特征在于:包括如下步骤:
准备工作:将所述的补给系统设置在保障母船船坞中,在需要对水下航行器进行氢气补给时,将水下航行器驶入保障母船船坞中,并将水下航行器的氢气补给接头与所述补给系统的氢气加注接头(15)连接;为保证充氢气时的安全性,在氢气进入氢气加注管路之前,先对氢气加注管路进行抽真空,抽真空时,将合金储氢罐(16)进气口、排空阀(22)和单向阀(20)关闭,打开减压阀(21)和真空泵(14),通过真空泵(14)将氢气加注管路中的杂质抽出,当氢气加注管路中真空度达到-0.1MPa时抽真空完毕,先关闭真空泵(14),然后依次打开单向阀(20)和合金储氢罐(16)进气口;
循环冷却单元启动:氢气加注管路抽真空完毕后,打开水箱(19)出水口,开启制冷机组(18)和循环水泵(17),水箱(19)中流出的去离子水经过制冷机组(18)降温冷却后形成低温去离子水,低温去离子水的温度范围为5~10℃,低温去离子水流入合金储氢罐(16)的换热进口中,并进入换热结构进行换热;
氢气加注:循环冷却单元启动完毕后,开启循环泵(2),抽取有机液体储罐(1)中的有机液体氢化物材料,抽取的有机液体氢化物材料经过循环泵(2)后流过预热器(3),由预热器(3)对有机液体氢化物材料进行预热,有机液体氢化物材料预热要求达到的温度范围为120~150℃,预热后的有机液体氢化物材料进入脱氢反应器(4),脱氢反应器(4)中的有机液体氢化物材料发生脱氢分解反应生成氢气和有机液体原料的气液混合物,气液混合物流入气液分离器(5)中分离成气态氢气和液态高温有机液体原料,液态高温有机液体原料从气液分离器(5)下部出料口流入换热器(6)进料口,再从换热器(6)出料口流出并进入原料回收罐(7)中储存,氢气从气液分离器(5)上部出气口进入氢气提纯器(8)中,氢气提纯器(8)中提纯产生的杂质流入杂质回收罐(9)中,提纯产生的高纯氢气进入增压器(10)中加压至设定压力,高纯氢气的纯度要求大于等于99.999%,设定压力大于等于5MPa,加压后的高纯氢气再进入冷却器(11)进行冷却降温,高纯氢气要求冷却降温至-40℃,冷却降温后的高压高纯氢气进入氢气储罐(12)中储存,氢气储罐(12)中储存的氢气再经过氢气加注接头(15)流入水下航行器的合金储氢罐(16)中进行氢气补给;
在进行氢气加注的同时,进入合金储氢罐(16)的换热进口的低温去离子水吸收合金储氢材料在吸氢过程中释放的热量并提升到一定温度,升温后的去离子水从合金储氢罐(16)的换热出口流出进入换热器(6)进水口,与换热器(6)中的高温有机液体原料发生换热并形成高温去离子水,高温去离子水进入预热器(3)中与有机液体氢化物材料发生热交换又变成低温去离子水,低温去离子水通过输液管路返回水箱(19)中,形成了水路循环与热量循环利用的功能;
关闭所述补给系统:氢气加注时,根据质量流量计(13)检测、计量氢气补给总量,判断氢气补给过程是否完成,当质量流量计(13)显示达到设定的补给总量时,先关闭循环泵(2)、预热器(3)、脱氢反应器(4)、气液分离器(5)和氢气提纯器(8),然后依次关闭增压器(10)、单向阀(20)和减压阀(21),接着断开氢气加注接头(15),最后关闭循环水泵(17)和制冷机组(18),完成整个所述补给系统关闭后,驾驶水下航行器离开保障母船船坞。
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