CN114370598A - 一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法 - Google Patents

一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法，包括：密闭容器，所述密闭容器由内到外依次嵌套形成多层容器，所述密闭容器的最内层为氢气储存腔，次内层密闭容器为液氮腔，所述液氮腔内设有金属毛细管，所述金属毛细管一端与氢气输入口连通，另一端与氢气储存腔连通。本发明通过设置在液氮腔内的金属毛细管，把液氢通过金属毛细管注入氢气储存腔内，利用液氮腔内的低温进一步金属毛细管内的液氢进行冷却，使注入氢气储存腔内氢气温度更低，从而使氢气储存腔内的氢气温度更低、压力更小，从而储存更多的液氢。

Description

一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及氢储存领域，尤其涉及一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法。
背景技术
随着我国制氢工业技术的日益成熟，大量使用氢能源的时代即将来临。氢气可作为重要能源将在飞机、船舶、汽车等广泛行业大量使用。但氢气作为能源在常温下密度很低，难以储存运输使用，目前国内外可加注氢气的储存罐大部分为70MPa和35MPa，例如日本的丰田、本田采用的是70MPa的气罐，而我国的北京科泰克、北京天海等则大部分采用35MPa的气罐。以上的储存罐氢气质量密度均不能满足实际市场需求，以上气罐储存质量密度均在5％左右，所以急需一种液氢(氢气)储存运输及使用的装置。
现有技术CN202011290874.7中，公开了一种液氢保冷储存装置及存储方法，包括密闭容器，所述密闭容器由内到外依次嵌套形成多层容器，所述相邻密闭容器之间形成间隙，所述若干密闭容器的夹层之间填充有变相介质，所述变相介质的真空凝固点低于氢气在常压下的沸点，所述若干密闭容器之间设置有支撑，若干密闭容器之间通过支撑进行固定。该发明虽然通过夹层之间填充有变相介质对液氢进行保冷储存，由于液氢直接注入氢气储存腔内，变相介质对液氢冷却处理效果偏低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法，通过设置在液氮腔内的金属毛细管，使氢气通过金属毛细管注入氢气储存腔内，利用液氮腔内的低温液氮进一步对金属毛细管内的氢气进行冷却，使氢气储存腔内的氢气温度更低、压力更小，从而提高氢气质量密度，达到存储更多氢气的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种液氢/氢气储存运输装置，包括：密闭容器，所述密闭容器由内到外依次嵌套形成多层容器，所述密闭容器的最内层为氢气储存腔，次内层密闭容器为液氮腔，所述液氢/氢气储存运输装置上还设有检测装置；
所述液氮腔内设有金属毛细管，所述金属毛细管一端与氢气输入口连通，另一端与氢气储存腔连通；可以在液氮腔内布置较多的金属毛细管，加快氢气的注入，也可以把金属毛细管螺旋设置在液氮腔内。
优选地，所述液氢/氢气储存运输装置内还设有冷却循环泵，所述冷却循环泵一端与氢气储存腔连通，另一端与设置在液氮腔内的金属毛细管连通；利用冷却循环泵使储存腔内的氢气与金属毛细管内的氢气不断循环，从而使氢气的热量不断被液氮腔内液氮进行吸收，从而使氢气储存腔内的氢气温度进一步降低、压力更小，从而能够储存更多的氢气。
优选地，所述冷却循环泵设置在位于氢气储存腔内的氢气输出口上，且冷却循环泵的电器元件均与氢气储存腔隔绝，位于氢气储存腔内的冷却循环泵的电机转子与叶片(风扇叶)同体，防止电器元件与储存腔内的氢气接触而产生危险。
优选地，所述氢气输入口设有电磁气阀，所述氢气输出口设有安全阀，所述金属毛细管在电磁气阀关闭时，所述金属毛细管与氢气输入口位于氢气储存腔外的一端连通，所述金属毛细管在电磁气阀打开时，所述金属毛细管与氢气输入口位于氢气储存腔内的一端连通。
电磁气阀优选常开型电磁气阀，由于液氢/氢气储存运输装置大部分时间是存储，其中的电磁气阀一般处于常闭状态(即，金属毛细管与氢气输入口位于氢气储存腔内的一端连通)，本相对选用常闭型电磁气阀，其使用寿命更长。
优选地，所述金属毛细管的另一端通过位于氢气储存腔内的冷却循环泵与氢气储存腔连通；延长毛细管在液氮腔内的长度，使氢气的冷却更加彻底；优选，金属毛细管螺旋环绕氢气储存腔设置在液氮腔内。
优选地，所述液氮腔还与氮气压缩装置连通，氮气压缩装置还可以外接电源，通过氮气压缩装置能够使液氮腔中的氮气液化或汽化，从而使液氮腔的温度保持稳定(优选稳定温度为-196℃)。
优选地，所述多层容器的最外层密闭容器为高真空隔热腔，所述高真空隔热腔外套设有碳纤维保护层；采用高真空隔热层，能够保证液氮腔内液氮温度长期稳定，而纤维保护层能够起到隔热、防撞的作用。
优选地，所述液氢/氢气储存运输装置上还设有检测装置，所述检测装置包括压力传感器、温度传感器、称重传感器和真空探测仪，通过各种检测装置，实时监控液氢/氢气储存运输装置的状态。
优选地，所述氢气储存腔内设有压力传感器、温度传感器、称重传感器，所述液氮腔内设有温度传感器、称重传感器、压力传感器；所述高真空隔热腔设有真空探测仪。
在具体使用时，可以通过运输车辆上的控制器整体控制检测装置，当确认加注完成后，控制器将向车辆发送罐内压力、温度和氢气质量的数据；当控制器监测到任意传感器数据异常时，控制器将会作出相应应对措施。例如：当车辆在行驶过程中，系统检测到氢气腔内压力、温度升高时，系统将自动打开电磁气阀，开启氢气冷却循环泵。使之降温、降压。当监测到液氮腔压力、温度升高时，系统将自动打开氮气压缩系统，使之达到设计所需要求(温度、压力)。
一种液氢/氢气储存运输装置的使用方法；所述使用方法包括如下步骤：
1)、检测装置内所有传感器及氢气冷却循环泵、电磁气阀是否正常；
2)、关闭电磁气阀，使氢气不能直接进入氢气储存腔内，而是通过金属毛细管间接注入氢气储存腔内；
3)、开启氮气压缩系统；其目的是使液氮腔中的氮气液化，从而使液氮腔中的液氮温度维持稳定；
4)、注入氢气，同时监测压力传感器、温度传感器和称重传感器的数据；
5)、当压力传感器或温度传感器任意数值达到上限值时，必须停止注入氢气。
6)、打开电磁气阀，开启氢气冷却循环泵，同时监测压力传感器、温度传感器称重传感器的数据；
7)、当氢气储存腔内的侧重传感器监测到的氢气重量小于设定重量时，循环步骤2)～6)，至氢气储存腔内的称重传感器监测到的氢气重量大于等于设定重量，打开电磁气阀停止注气。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法，通过设置在液氮腔内的金属毛细管，把氢气通过金属毛细管注入氢气储存腔内，利用液氮腔内的低温进一步金属毛细管内的氢气进行冷却，使注入氢气储存腔内氢气温度更低，从而使氢气储存腔内的氢气温度更低、压力更小，从而储存更多的氢气；
在液氢/氢气储存运输装置内设置氢气冷却循环泵，从而使氢气储存腔腔内的氢气与金属毛细管内的氢气进行循环，使液氮腔内的冷凝介质对热量进行吸收，不仅能够在注入氢气时，使氢气储存腔储存更多的氢气，还能够维持运输过程中氢气的温度。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种液氢/氢气储存运输装置电磁阀关闭时正剖视图。
图2为本发明实施例1的一种液氢/氢气储存运输装置电磁阀打开时部分剖视图。
图3为本发明实施例1的一种液氢/氢气储存运输装置及部分剖视图。
图中：1、氢气储存腔；2、液氮腔；3、高真空隔热腔；4、碳纤维保护层；5、金属毛细管；6、氢气输入口；61、电磁气阀；7、冷却循环泵；8、氢气输出口；81、安全阀；9、检测装置；91、压力传感器；92、温度传感器；93、称重传感器。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不指在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅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做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。
实施例一
如图1-3所示，一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法，包括：密闭容器，所述密闭容器由内到外依次嵌套形成多层容器，所述密闭容器的最内层为氢气储存腔1，次内层密闭容器为液氮腔2，所述液氢/氢气储存运输装置上还设有检测装置9；
所述液氮腔2内设有金属毛细管5，金属毛细管5螺旋环绕氢气储存腔1设置在液氮腔2内；
所述金属毛细管5一端与氢气输入口6连通，所述氢气输入口6设有电磁气阀61，所述氢气输出口8设有安全阀81，所述金属毛细管5在电磁气阀61关闭时，所述金属毛细管5与氢气输入口6位于氢气储存腔1外的一端连通，所述金属毛细管5在电磁气阀61打开时，所述金属毛细管5与氢气输入口6位于氢气储存腔1内的一端连通。
所述液氢/氢气储存运输装置内还设有冷却循环泵7，所述冷却循环泵7设置在位于氢气储存腔1内的氢气输出口8上，且冷却循环泵7的电器元件均与氢气储存腔1隔绝，所述金属毛细管5的另一端通过位于氢气储存腔1内的冷却循环泵7与氢气储存腔1连通；延长毛细管在液氮腔2内的长度，使氢气的冷却更加彻底；优选，金属毛细管5螺旋环绕氢气储存腔1设置在液氮腔2内。
所述液氮腔2还与氮气压缩装置连通，氮气压缩装置还可以外接电源，通过氮气压缩装置能够使液氮腔2中的氮气液化或汽化，从而使液氮腔2的温度保持稳定。
所述多层容器的最外层密闭容器为高真空隔热腔3，所述高真空隔热腔3外套设有碳纤维保护层4。
所述液氢/氢气储存运输装置上还设有检测装置9，所述检测装置9包括压力传感器、温度传感器、称重传感器和真空探测仪；所述氢气储存腔1内设有压力传感器、温度传感器、称重传感器，所述液氮腔2内设有温度传感器、称重传感器、压力传感器；所述高真空隔热腔3设有真空探测仪。
本实施例的一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法的工作原理和使用方法：
本实施例提供的一种液氢/氢气储存运输装置及其使用方法，通过设置在液氮腔2内的金属毛细管5，把氢气通过金属毛细管5注入氢气储存腔1内，利用液氮腔2内的低温进一步金属毛细管5内的氢气进行冷却，使注入氢气储存腔1内氢气温度更低，从而使氢气储存腔1内的氢气温度更低、压力更小，从而储存更多的氢气，在氢气/氢气储存运输装置内设置氢气冷却循环泵7，从而使氢气储存腔1腔内的氢气与金属毛细管5内的氢气进行循环，使液氮腔2内的冷凝介质对热量进行吸收，不仅能够在注入氢气时，使氢气储存腔1储存更多的氢气，还能够维持运输过程中氢气的温度。
一种液氢/氢气储存运输装置的使用方法；所述使用方法包括如下步骤：
1)、检测装置9内所有传感器及氢气冷却循环泵7、电磁气阀61是否正常；
2)、关闭电磁气阀61，使氢气不能直接进入氢气储存腔1内，而是通过金属毛细管5间接注入氢气储存腔1内；
3)、开启氮气压缩系统；其目的是使液氮腔2中的氮气液化，从而使液氮腔2中的液氮温度维持稳定；
4)、注入氢气，同时监测压力传感器91、温度传感器92和称重传感器的数据；
5)、当压力传感器91或温度传感器92任意数值达到上限值时，必须停止注入氢气。
6)、打开电磁气阀61，开启氢气冷却循环泵7，同时监测压力传感器91、温度传感器92称重传感器的数据；
7)、当氢气储存腔1内的侧重传感器监测到的氢气重量小于设定重量时，循环步骤2)～6)，至氢气储存腔1内的称重传感器监测到的氢气重量大于等于设定重量，打开电磁气阀61停止注气。
加注氢气步骤，当向氢气储存腔1内加注氢气，罐内压力或温度达到上限值时，系统将自动上传停止加注信号，使之自动停止加注氢气，同时打开电磁气阀61，开启氢气冷却循环泵7；从而使氢气储存腔1内的氢气与金属毛细管5内的氢气进行热交换，以实现迅速降低压力与温度；通过N时后监测温度、压力，重新评估是否继续加注(N：按实际系统冷却效果而定)。
储存氢气步骤：氢气加注完成后，当控制器监测到任意传感器数据异常时，控制器将会作出相应应对措施。例如：当运输过程中，系统检测到氢气储存腔1内压力、温度升高时，系统将自动打开电磁气阀61，开启氢气冷却循环泵7。使之降温、降压。当监测到液氮腔2压力、温度升高时，系统将自动打开氮气压缩系统，使之达到设计所需要求(温度、压力)。
当温度升至安全温度上限值或压力升至安全压力上限值时，系统将自动开启安全阀81(降压)，实现安全。
本发明中部分数值根据实际需求情况确定；具体说明如下：
压力上限值：加注氢气压力允许范围的高压侧的极限值。
安全压力上限值：由罐体设计允许最高压力为准。
安全压力下限值：通过车辆还能继续行驶的最大距离计算出的值。
温度上限值：加注氢气温度允许范围的高压侧的极限值。
安全温度上限值：由罐体设计允许最高温度为准。
安全温度下限值：通过车辆还能继续行驶的最大距离计算出的值。
温度：通过设计在罐内多个不同位置、数量的传感器计算出的值。
压力：通过设计在罐内多个不同位置、数量的传感器计算出的值。
根据气体的质量与温度、压力的关系。在温度已定的情况下，压力越大气体的质量密度越大，压力越小则质量密度越小。在压力已定的情况下，温度越低气体的质量密度越大，温度越高则质量密度越小。
以上所述，从克拉伯龙理想状态气体方程PV＝nRT(P:压强，V:体积，n：气体质量，R：气体常数，T：温度)可以看出，气体的质量密度，温度越低质量密度越大，压强越大质量密度越大。例：在70MPa同等压力下20℃时一个立方米的氢气质量为14kg左右，而在-196℃时同等体积的氢气质量为54.5kg左右。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。
凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“上端”、“下端”、“上表面”、“下表面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种液氢/氢气储存运输装置，包括密闭容器，所述密闭容器由内到外依次嵌套形成多层容器，所述密闭容器的最内层为氢气储存腔(1)，次内层密闭容器为液氮腔(2)，其特征在于：
所述液氮腔(2)内设有金属毛细管(5)，所述金属毛细管(5)一端与氢气输入口(6)连通，另一端与氢气储存腔(1)连通。
2.如权利要求1所述的一种液氢/氢气储存运输装置，其特征在于：所述液氢/氢气储存运输装置内还设有冷却循环泵(7)，所述冷却循环泵(7)一端与氢气储存腔(1)连通，另一端与设置在液氮腔(2)内的金属毛细管(5)连通。
3.如权利要求2所述的一种液氢/氢气储存运输装置，其特征在于：所述冷却循环泵(7)设置在位于氢气储存腔(1)内的氢气输出口(8)上，且冷却循环泵(7)的电器元件均与氢气储存腔(1)隔绝。
4.如权利要求3所述的一种液氢/氢气储存运输装置，其特征在于：所述氢气输入口(6)设有电磁气阀(61)，所述氢气输出口(8)设有安全阀(81)，所述金属毛细管(5)在电磁气阀(61)关闭时，所述金属毛细管(5)与氢气输入口(6)位于氢气储存腔(1)外的一端连通，所述金属毛细管(5)在电磁气阀(61)打开时，所述金属毛细管(5)与氢气输入口(6)位于氢气储存腔(1)内的一端连通。
5.如权利要求4所述的一种液氢/氢气储存运输装置，其特征在于：所述金属毛细管(5)的另一端通过位于氢气储存腔(1)内的冷却循环泵(7)与氢气储存腔(1)连通。
6.如权利要求1所述的一种液氢/氢气储存运输装置，其特征在于：所述液氮腔(2)还与氮气压缩装置连通。
7.如权利要求1所述的一种液氢/氢气储存运输装置，其特征在于：所述多层容器的最外层密闭容器为高真空隔热腔(3)，所述高真空隔热腔(3)外套设有碳纤维保护层(4)。
8.如权利要求7所述的一种液氢/氢气储存运输装置其特征在于：所述液氢/氢气储存运输装置上还设有检测装置(9)，所述检测装置(9)包括压力传感器、温度传感器、称重传感器(93)和真空探测仪。
9.如权利要求8所述的一种液氢/氢气储存运输装置其特征在于：所述氢气储存腔(1)内设有压力传感器(91)、温度传感器(92)、称重传感器(93)，所述液氮腔(2)内设有温度传感器、称重传感器(93)、压力传感器；所述高真空隔热腔(3)设有真空探测仪。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的液氢/氢气储存运输装置的使用方法，其特征在于：所述使用方法包括如下步骤：
1)、检测装置(9)内所有传感器及氢气冷却循环泵(7)、电磁气阀(61)是否正常；
2)、关闭电磁气阀(61)，使氢气通过金属毛细管(5)间接注入氢气储存腔(1)内；
3)、开启氮气压缩系统；
4)、注入氢气，同时监测压力传感器(91)、温度传感器(92)和称重传感器(93)的数据；
5)、当压力传感器(91)或温度传感器(92)任意数值达到上限值时，停止注入氢气；
6)、打开电磁气阀(61)，开启氢气冷却循环泵(7)，同时监测压力传感器(91)、温度传感器(92)称重传感器(93)的数据；
7)、当氢气储存腔(1)内的侧重传感器监测到的氢气重量小于设定重量时，循环步骤2)～6)，至氢气储存腔(1)内的称重传感器(93)监测到的氢气重量大于等于设定重量，打开电磁气阀(61)停止注气。
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