CN115325434A - 一种基于仲氢转化的液氢长时储存装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于仲氢转化的液氢长时储存装置，该储存装置的转化器位于液氢储罐内部；催化剂壳体为液氢和氢气能够自由出入的多孔结构；气相管一端位于液氢储罐内容器内，另一端位于液氢储罐外容器外；气相阀位于液氢储罐外容器的外部；液相阀位于液氢储罐外容器的外部。上述储存装置采用被动式技术，随着温度升高仲氢向正氢自发转化，利用仲氢向正氢转化吸热的特性，使用催化剂加速转化吸热过程，从而吸收系统内部热量，延长了液氢储存时间，提高了转化效率，缓解热分层现象。与传统液氢储存时间延长技术相比，上述储存装置避免了采用制冷机、低温泵等动力部件产生的额外能耗，被动式的吸热冷却技术降低了系统复杂性。

Description

一种基于仲氢转化的液氢长时储存装置
技术领域
本发明涉及氢能应用技术领域，具体涉及一种基于仲氢转化的液氢长时储存装置。
背景技术
目前，氢的主要储运方式中，液氢具有最高的质量密度，被广泛应用于氢的长期贮存与长距离运输中。但由于液氢温度较低，为-253℃，使其在储存过程中不可避免的发生漏热蒸发，进而导致储罐内压力增大，为保证储罐安全，往往设定在达到安全压力时自动泄放，造成氢的储存损失，缩短了液氢储存时间；同时，储罐外壁漏热使近壁面液氢受热升温，热流体向上流动，致使储罐内部发生热分层，同样不利于液氢的长时间储存。
现有技术主要是通过氦等低温介质对储罐进行冷却或对已蒸发氢气重新进行液化，从而延长液氢储存时间，但是上述方式需要额外低温介质和制冷机、低温泵等循环冷却设备，且增加了额外能耗，导致液氢储存成本提高、其系统设计更为复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于仲氢转化的液氢长时储存装置，该储存装置利用仲正氢转化过程吸热的特点延长液氢储存时间，并缓解储罐内热分层现象。
本发明采用以下具体技术方案：
一种基于仲氢转化的液氢长时储存装置，该储存装置包括液氢储罐外容器、液氢储罐内容器、转化器、气相管、气相阀、液相管、液相阀以及安全阀；
所述液氢储罐外容器套设于所述液氢储罐内容器的外周侧，并在所述液氢储罐外容器与所述液氢储罐内容器之间设置有绝热夹层；
所述转化器位于所述液氢储罐内容器的内部，并包括催化剂壳体和容置于所述催化剂壳体内的催化剂，所述催化剂用于催化仲氢向正氢转换；所述催化剂壳体为液氢和氢气能够自由出入的多孔结构；
所述气相管依次贯穿所述液氢储罐外容器、所述绝热夹层以及所述液氢储罐内容器，一端位于所述液氢储罐内容器的内顶部，另一端位于所述液氢储罐外容器的外部，用于将所述液氢储罐内容器的内顶部与所述液氢储罐外容器的外部连通；
所述气相阀安装于所述气相管中且位于所述液氢储罐外容器的外部，用于控制所述气相管的通断；
所述液相管依次贯穿所述液氢储罐外容器、所述绝热夹层以及所述液氢储罐内容器，一端位于所述液氢储罐内容器的内底部，另一端位于所述液氢储罐外容器的外部，用于将所述液氢储罐内容器的内底部与所述液氢储罐外容器的外部连通；
所述液相阀安装于所述液相管中且位于所述液氢储罐外容器的外部，用于控制所述液相管的通断；
所述安全阀安装于所述液氢储罐外容器的顶部，并与所述液氢储罐内容器的内顶部连通。
更进一步地，所述催化剂壳体贴合于所述液氢储罐内容器的内壁设置。
更进一步地，所述转化器还包括固定连接于所述催化剂壳体外侧的浮板；
所述转化器通过所述浮板漂浮于所述液氢储罐内容器内的液氢气液界面上。
更进一步地，所述浮板采用轻质材料制成。
更进一步地，所述轻质材料为塑料或者铝材。
更进一步地，所述催化剂为氢氧化铁、氢氧化锰、氢氧化铬、氢氧化镍、氢氧化钴或者氢氧化镝。
更进一步地，所述安全阀和所述气相管分别设置于所述液氢储罐外容器的两端。
更进一步地，所述绝热夹层采用真空绝热层或泡沫绝热层。
更进一步地，所述液氢储罐外容器和所述液氢储罐内容器的形状为球型或圆筒型。
更进一步地，还包括固定连接于所述液氢储罐外容器底部的两个支撑座。
有益效果：
本发明的液氢长时储存装置采用被动式技术，随着温度升高仲氢向正氢自发转化，利用仲氢向正氢转化吸热的特性，使用催化剂加速转化吸热过程，从而吸收系统内部热量，延长了液氢储存时间，提高了转化效率，缓解热分层现象。与传统液氢储存时间延长技术相比，避免了采用制冷机、低温泵等动力部件产生的额外能耗，被动式的吸热冷却技术降低了系统复杂性。
附图说明
图1为本发明一种液氢长时储存装置的结构示意图；
图2为本发明另一种液氢长时储存装置的结构示意图。
其中，1-液氢储罐外容器，2-液氢储罐内容器，3-转化器，4-气相管，5-气相阀，6-液相管，7-液相阀，8-安全阀，9-绝热夹层，10-支撑座，31-催化剂壳体，32-催化剂，33-浮板
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
根据氢原子的自旋方向不同，氢可分为正氢和仲氢，室温下标准氢的正氢、仲氢含量分别为75％和25％，随着温度降低，正氢会向仲氢转换并放出热量，直至达到平衡浓度；反之，随着温度升高，仲氢会向正氢转换并吸收热量。但正仲氢的自然转换速率较慢，在液氢生产制备过程中，会通过催化反应使其尽快转换至平衡浓度，即液氢饱和温度20.4K下对应的99.82％仲氢含量，从而避免其在储存过程中发生转化放热，减少贮存时间。同理，在液氢储存过程中，可通过催化仲氢转化为正氢的过程，利用其转化吸热的特性，吸收储罐内热量，从而延长储存时间。
实施例一
本实施例提供了一种基于仲氢转化的液氢长时储存装置，如图1结构所示，该储存装置包括液氢储罐外容器1、液氢储罐内容器2、转化器3、气相管4、气相阀5、液相管6、液相阀7以及安全阀8；液氢储罐外容器1套设于液氢储罐内容器2的外周侧，并在液氢储罐外容器1与液氢储罐内容器2之间设置有绝热夹层9；液氢储罐外容器1和液氢储罐内容器2的形状均可以为球型、圆筒型等规则形状，也可以为其它异型结构；绝热夹层9采用真空绝热层或泡沫绝热层；当绝热夹层9采用真空绝热层时，真空绝热层可以由单层真空绝热层或多层真空绝热层构成；
转化器3位于液氢储罐内容器2的内部，并包括催化剂壳体31和容置于催化剂壳体31内的催化剂32，催化剂32用于催化仲氢向正氢转换；催化剂壳体31贴合于液氢储罐内容器2的内壁设置；催化剂壳体31为液氢和氢气能够自由出入的多孔结构；催化剂32可以为氢氧化铁、氢氧化锰、氢氧化铬、氢氧化镍、氢氧化钴或者氢氧化镝；
气相管4依次贯穿液氢储罐外容器1、绝热夹层9以及液氢储罐内容器2，一端位于液氢储罐内容器2的内顶部，另一端位于液氢储罐外容器1的外部，用于将液氢储罐内容器2的内顶部与液氢储罐外容器1的外部连通；
气相阀5安装于气相管4中且位于液氢储罐外容器1的外部，用于控制气相管4的通断；
液相管6依次贯穿液氢储罐外容器1、绝热夹层9以及液氢储罐内容器2，一端位于液氢储罐内容器2的内底部，另一端位于液氢储罐外容器1的外部，用于将液氢储罐内容器2的内底部与液氢储罐外容器1的外部连通；
液相阀7安装于液相管6中且位于液氢储罐外容器1的外部，用于控制液相管6的通断；
安全阀8安装于液氢储罐外容器1的顶部，并与液氢储罐内容器2的内顶部连通。安全阀8和气相管4分别设置于液氢储罐外容器1的两端。
上述液氢长时储存装置在使用过程中，环境热量传递到液氢储罐内容器2的壁面，使靠近壁面的部分温度升高，较高的温度使得正仲氢平衡浓度改变，仲氢平衡浓度减少，正氢平衡浓度增加，在催化剂32的作用下，仲氢迅速向正氢转换，同时吸收热量，使温度降低，从而维持较低温度，延长内部液氢储存时间。
上述液氢长时储存装置通过设置于液氢储罐内容器2内的催化剂32能够促进仲氢向正氢转化，利用仲氢向正氢转化吸热的特性，从而吸收进入液氢储罐内容器2内的热量，延长了液氢储存时间，提高了转化效率；通过转化器3不仅促进了氢气的仲正转化，还促进了液氢的仲正转化；同时，使转化器3贴合于液氢储罐内容器2温度较高的内壁面，能够更好地利用仲正氢转化过程吸收热量；与传统液氢储存时间延长技术相比，避免了采用制冷机、低温泵等动力部件产生的额外能耗，被动式的吸热冷却技术降低了系统复杂性。
上述液氢长时储存装置还包括固定连接于液氢储罐外容器1底部的两个支撑座10，通过支撑座10能够对液氢储罐外容器1进行稳定支承。
实施例二
本实施例提供了一种基于仲氢转化的液氢长时储存装置，如图2结构所示，该储存装置包括液氢储罐外容器1、液氢储罐内容器2、转化器3、气相管4、气相阀5、液相管6、液相阀7以及安全阀8；
液氢储罐外容器1套设于液氢储罐内容器2的外周侧，并在液氢储罐外容器1与液氢储罐内容器2之间设置有绝热夹层9；液氢储罐外容器1和液氢储罐内容器2的形状均可以为球型、圆筒型等规则形状，也可以为其它异型结构；绝热夹层9采用真空绝热层或泡沫绝热层；当绝热夹层9采用真空绝热层时，真空绝热层可以由单层真空绝热层或多层真空绝热层构成；
转化器3位于液氢储罐内容器2的内部，并包括催化剂壳体31和容置于催化剂壳体31内的催化剂32，催化剂32用于催化仲氢向正氢转换；催化剂壳体31为液氢和氢气能够自由出入的多孔结构；催化剂32可以为氢氧化铁、氢氧化锰、氢氧化铬、氢氧化镍、氢氧化钴或者氢氧化镝；
气相管4依次贯穿液氢储罐外容器1、绝热夹层9以及液氢储罐内容器2，一端位于液氢储罐内容器2的内顶部，另一端位于液氢储罐外容器1的外部，用于将液氢储罐内容器2的内顶部与液氢储罐外容器1的外部连通；
气相阀5安装于气相管4中且位于液氢储罐外容器1的外部，用于控制气相管4的通断；
液相管6依次贯穿液氢储罐外容器1、绝热夹层9以及液氢储罐内容器2，一端位于液氢储罐内容器2的内底部，另一端位于液氢储罐外容器1的外部，用于将液氢储罐内容器2的内底部与液氢储罐外容器1的外部连通；
液相阀7安装于液相管6中且位于液氢储罐外容器1的外部，用于控制液相管6的通断；
安全阀8安装于液氢储罐外容器1的顶部，并与液氢储罐内容器2的内顶部连通。安全阀8和气相管4分别设置于液氢储罐外容器1的两端。
上述液氢长时储存装置在实际使用过程中，由于热流体向上运动导致气液界面处温度较高，较高的温度使得正仲氢平衡浓度改变，仲氢平衡浓度减少，正氢平衡浓度增加，在催化剂32的作用下，仲氢迅速向正氢转换，同时吸收热量；内部液氢随着使用而减小，汽液界面下降，转化器3始终漂浮于汽液界面上，随着界面的下降而下降，从而保证其始终处于罐内高温区域，保证催化转化效率，缓解内部热分层现象。
上述液氢长时储存装置利用仲氢向正氢转化吸热的特性，不仅促进了氢气的仲正转化，还促进了液氢的仲正转化，使用催化剂32加速转化吸热过程，从而吸收系统内部热量，延长了液氢储存时间，提高了转化效率；由于转化器3漂浮于温度较高的气液界面处，可有效缓解液氢储罐内部热分层现象，且转化器3可随气液界面位置变化而变化，始终位于液氢储罐内气液界面处，避免了由于使用导致罐内液氢减少，转化器3脱离罐内高温区域，而使其转化效率下降的情况。与传统液氢储存时间延长技术相比，避免了采用制冷机、低温泵等动力部件产生的额外能耗，被动式的吸热冷却技术降低了系统复杂性。
为了保证转化器3始终漂浮于汽液界面上，转化器3还可以包括固定连接于催化剂壳体31外侧的浮板33，通过浮板33进一步提高转化器3在液氢中的浮力；浮板33可以采用塑料、铝材等轻质材料制成；转化器3通过浮板33漂浮于液氢储罐内容器2内的液氢气液界面上。
上述液氢长时储存装置还包括固定连接于液氢储罐外容器1底部的两个支撑座10，通过支撑座10能够对液氢储罐外容器1进行稳定支承。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于仲氢转化的液氢长时储存装置，其特征在于，该储存装置包括液氢储罐外容器、液氢储罐内容器、转化器、气相管、气相阀、液相管、液相阀以及安全阀；
所述液氢储罐外容器套设于所述液氢储罐内容器的外周侧，并在所述液氢储罐外容器与所述液氢储罐内容器之间设置有绝热夹层；
所述转化器位于所述液氢储罐内容器的内部，并包括催化剂壳体和容置于所述催化剂壳体内的催化剂，所述催化剂用于催化仲氢向正氢转换；所述催化剂壳体为液氢和氢气能够自由出入的多孔结构；
所述气相管依次贯穿所述液氢储罐外容器、所述绝热夹层以及所述液氢储罐内容器，一端位于所述液氢储罐内容器的内顶部，另一端位于所述液氢储罐外容器的外部，用于将所述液氢储罐内容器的内顶部与所述液氢储罐外容器的外部连通；
所述气相阀安装于所述气相管中且位于所述液氢储罐外容器的外部，用于控制所述气相管的通断；
所述液相管依次贯穿所述液氢储罐外容器、所述绝热夹层以及所述液氢储罐内容器，一端位于所述液氢储罐内容器的内底部，另一端位于所述液氢储罐外容器的外部，用于将所述液氢储罐内容器的内底部与所述液氢储罐外容器的外部连通；
所述液相阀安装于所述液相管中且位于所述液氢储罐外容器的外部，用于控制所述液相管的通断；
所述安全阀安装于所述液氢储罐外容器的顶部，并与所述液氢储罐内容器的内顶部连通。
2.如权利要求1所述的储存装置，其特征在于，所述催化剂壳体贴合于所述液氢储罐内容器的内壁设置。
3.如权利要求1所述的储存装置，其特征在于，所述转化器还包括固定连接于所述催化剂壳体外侧的浮板；
所述转化器通过所述浮板漂浮于所述液氢储罐内容器内的液氢气液界面上。
4.如权利要求3所述的储存装置，其特征在于，所述浮板采用轻质材料制成。
5.如权利要求4所述的储存装置，其特征在于，所述轻质材料为塑料或者铝材。
6.如权利要求1所述的储存装置，其特征在于，所述催化剂为氢氧化铁、氢氧化锰、氢氧化铬、氢氧化镍、氢氧化钴或者氢氧化镝。
7.如权利要求1-4任一项所述的储存装置，其特征在于，所述安全阀和所述气相管分别设置于所述液氢储罐外容器的两端。
8.如权利要求1-4任一项所述的储存装置，其特征在于，所述绝热夹层采用真空绝热层或泡沫绝热层。
9.如权利要求1-4任一项所述的储存装置，其特征在于，所述液氢储罐外容器和所述液氢储罐内容器的形状为球型或圆筒型。
10.如权利要求1-4任一项所述的储存装置，其特征在于，还包括固定连接于所述液氢储罐外容器底部的两个支撑座。
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