CN115370956A - 一种液氢储罐 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液氢储罐，属于液氢储罐设备技术领域，所述液氢储罐为常压立式圆筒形双金属全容罐。所述液氢储罐的罐体包括由内到外依次设置的内罐、绝热层和外罐，其中，液氢储罐罐身的绝热层包括由内到外依次设置的第一真空绝热被层、液氮冷屏层和第一气凝胶层，第一真空绝热被层为填充有纤维的柔性腔体，腔体抽成真空；第一真空绝热被层固定设置在罐身的内罐的外壁上，液氮冷屏层固定设置在第一真空绝热被层上，第一气凝胶层填充在液氮冷屏层和罐身的外罐之间。本发明提供的液氢储罐无需承受真空，其日蒸发率可达0.13％/天，内外罐在现有材料的强度下能够实现且经济合理，从而使得该液氢储罐能够实现大型化，其容积可以达到10000m3。

Description

一种液氢储罐
技术领域
本发明属于液氢储罐设备技术领域，具体涉及一种液氢储罐。
背景技术
液氢储罐是用于储存液态氢气的容器，是氢气从生产到利用过程的桥梁。氢气作为清洁、安全、高效以及可再生能源，是未来人类清洁能源利用最有效能源之一。当前全球正经历从化石能源向氢能等非化石能源过渡的第三次能源体系重大转换期，多国政府陆续推出氢能产业发展支持性政策，促使氢能产业链上下游企业和科研机构密切配合，推动以氢燃料电池汽车和分布式能源为主的氢能产业快速落地。液氢储存这种储氢技术作为氢气从生产到利用过程中的桥梁，因此安全、高效的储氢技术成为氢能应用的关键。而且随着氢能应用领域的扩大与普及，大规模储氢是未来的必然发展方向。
目前的储氢技术主要包括：高压压缩储氢技术、低温液态储氢技术以及化学储氢技术。衡量储氢技术的性能参数主要有体积储氢密度、质量储氢分数。根据美国能源局DOE提出的目标：储氢质量分数终极目标为7.5％，体积储氢密度为70kg/m3。低温液态储氢由于其储存密度大,在运输(特别是长距离运输)以及储存等方面具有极大优势。液氢的储存和运输是随着火箭及航天工程的发展而发展起来的，目前美国、俄罗斯、日本、法国都有用于火箭发射的大型液氢储罐：例如美国国家航空和航天局(NASA)使用罐体直径达到25米容积为3800m3的球型大罐来储存液氢；俄罗斯JSC深冷机械制造股份有限公司生产的火箭发射靶场1400m3液氢大型球罐；日本种子岛航天中心的液氢球罐容积为540m3。同时在欧美民用领域也建成了一定规模的氢液化工厂，并采用卧式圆筒形或立式圆筒形压力容器来储存液氢。我国低温液态储氢在航天工程中已有比较成熟的应用，通过引进国外技术建成了1.5吨/天的液氢装置，也具备了300m3及以下的固定式和移动式卧式圆筒形液氢储罐建造技术。
上述储氢技术所用液氢储罐分为两种，第一种是带压低温储罐(管内压力为0.1-0.6MPa)，其中，带压低温储罐包括内罐和外罐，一般为立式或卧式，形状为圆筒形或者球形，内罐和外罐之间的夹层抽成真空，以实现绝热，这种液氢储存方式目前在欧美的航天以及民用领域已有比较成熟的应用，但是这种带压低温储罐由于受材料强度的限制以及夹层间的真空度的获取及维持难度高且费用大，一般只适合较低容积(如小于4000m3)的液氢储罐。第二种是常压低温储罐，其形状多为立式圆筒形拱顶罐，这种储罐也包括内罐和外罐，能够储存大容积的低温介质，例如目前国内液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)双金属全容罐最大做到了80000m3。但这种立式圆筒形双金属储罐无法承受全真空，因此对于液氢介质通常采用的高真空多层绝热或真空堆积绝热形式无法应用到此类型的大罐上。
因此，现在亟需一种大容量、能够满足液氢绝热需要且无需承受真空的常压液氢储罐。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种液氢储罐，该液氢储罐具有大容量和良好的绝热性能，并无需承受真空。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种液氢储罐，所述液氢储罐为常压立式圆筒形双金属全容罐，所述液氢储罐的罐体包括由内到外依次设置的内罐、绝热层和外罐，其中，
所述液氢储罐的罐身的所述绝热层包括由内到外依次设置的第一真空绝热被层、液氮冷屏层和第一气凝胶层，所述第一真空绝热被层为填充有纤维的柔性腔体，所述腔体抽成真空；所述第一真空绝热被层固定设置在所述罐身的所述内罐的外壁上，所述液氮冷屏层固定设置在所述第一真空绝热被层上，所述第一气凝胶层填充在所述液氮冷屏层和所述罐身的所述外罐之间。
进一步地，所述第一真空绝热被层的厚度为20-75mm，所述第一真空绝热被层的腔体真空压力小于等于10-3Pa。
进一步地，所述第一真空绝热被层的腔体由如下任意一种材料制得：铝箔复合纤维布、高分子薄膜。
进一步地，所述液氮冷屏层包括冷屏板以及固定设置在所述冷屏板上的液氮管，所述冷屏板固定设置在所述第一真空绝热被层上，所述液氮管与所述第一气凝胶层接触。
进一步地，所述第一气凝胶层由如下至少一种气凝胶堆积获得：二氧化硅气凝胶、碳化物气凝胶；所述第一气凝胶层的厚度为800-1000mm。
进一步地，所述液氢储罐的罐顶的所述绝热层包括由内到外依次设置的第二真空绝热被层和第二气凝胶层，所述第二真空绝热被层与所述罐顶的所述内罐连接，所述第二气凝胶层填充在所述罐顶的所述外罐和所述第二真空绝热被层之间；所述液氢储罐的罐底的所述绝热层包括玻璃钢。
进一步地，所述液氢储罐的顶部设置有入口管和出口管，所述入口管和所述出口管均包括第一内管以及密封套装在所述第一内管外的第一外管，所述第一内管和所述第一外管之间形成密封腔，所述密封腔为真空，所述第一内管和所述第一外管一端均依次插入所述外罐、所述绝热层和所述内罐进入所述内罐内。
进一步地，所述第一外管中部设置有波纹管补偿器。
进一步地，所述液氢储罐内的顶部设置有列管式仲正氢催化转化器，所述仲正氢催化转化器的管程换热管内设置有仲正氢转化催化剂，所述仲正氢催化转化器的管程入口与所述液氢储罐的所述入口管连通，所述仲正氢催化转化器的管程出口穿过所述液氢储罐的顶部与深冷冷箱入口连通，所述仲正氢催化转化器的壳程出口穿过所述液氢储罐的顶部与所述深冷冷箱入口连通。
进一步地，所述内罐和所述外罐之间填充有压力为15-30KPa的氢气。
本发明的有益效果至少包括：
本发明提供了一种液氢储罐，该液氢储罐的罐体由内到外依次包括内罐、绝热层和外罐，其中液氢储罐的罐身的绝热层采用真空绝热被层、液氮冷屏层和气凝胶层组合绝热方式，其中，真空绝热被层和气凝胶层可将绝大部分的气体对流传热消除，液氮冷屏层可将外部环境的绝大部分辐射热吸收并由液氮循环输送管带走，可以有效地阻断辐射传热，从而使得该液氢储罐具有良好的绝热性能，经过计算，这种结构的液氢储罐日蒸发率可达0.13％/天。由于这种组合式的绝热结构以及常压储存，因此内罐和外罐之间不需要抽成真空，使得内外罐在现有材料的强度下能够实现且经济合理，从而使得该液氢储罐能够实现大型化，其容积可以达到10000m3。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种液氢储罐的结构示意图；
图2为图1中液氢储罐罐身和罐底的结构示意图；
图3为液氮冷屏层的结构示意图；
图4为图3中A-A处的剖面图；
图5为图1中出口管的结构示意图；
图6为图5的局部放大图；
图7为列管式仲正氢催化转化器的结构示意图。
图1-7中，1-外罐；2-第一气凝胶层；3-液氮管；4-冷屏板；5-第一真空绝热被层；6-内罐；7-玻璃钢；8-混凝土承台；9-仲正氢催化转化器，901-管程入口，902-管程出口，903-壳程入口，904-壳程出口；10-入口管；11-催化剂；12-出口管，1201-第一内管，1202-第一外管，1203-波纹管补偿器；13-第二气凝胶层；14-第二真空绝热被层。
具体实施方式
为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。
对于液氢介质，因其密度低(仅为70kg/m3)，且与环境温差大，因此在相同环境温度下，液氢要比液化天然气更容易蒸发，液氢的蒸发速度约为LNG的10倍。因此采用类似于液化天然气双金属全容罐的形式来储存液氢，由于其单一的珠光砂堆积绝热使得液氢的蒸发率过高而不适用。
图1至图7为本发明实施例提供的液氢储罐的结构示意图，结合图1至图7，本发明实施例提供了一种液氢储罐。
结合图1，本实施例提供的液氢储罐为常压立式圆筒形双金属全容罐，该液氢储罐包括由内到外依次设置的内罐6、绝热层和外罐1。
具体的，结合图2，液氢储罐的罐身的绝热层可以包括由内到外依次设置的第一真空绝热被层5、液氮冷屏层和第一气凝胶层2，第一真空绝热被层5为填充有纤维的柔性腔体，腔体抽成真空，第一真空绝热被层5固定设置在罐身的内罐6的外壁上，液氮冷屏层固定设置在第一真空绝热被层5上，第一气凝胶层2填充在液氮冷屏层和罐身的外罐1之间。
液氢储罐的罐身中绝热层中各层的作用如下：
第一真空绝热被层5：因为第一真空绝热被层5中没有空气，可以阻隔绝大部分的对流传热，填充纤维一方面具有低的导热系数，另一方面也可以起到支撑柔性真空腔体的作用，使得真空绝热被可以与内罐6的形状任意匹配。如果将第一真空绝热被层5设置于罐身外罐内壁上，将使得内罐6处的温度由-253℃至外罐1处的环境温度之间的温差大，导致所需要的第一气凝胶层2厚度增加，气凝胶装填量大，从而增加储罐的建造成本；相反将第一真空绝热被层5设置在内罐外壁处，使得温度从内罐处的-253℃经过第一真空绝热被层5至接近液氮的-196℃温度，从而使得第一气凝胶层2所需承受的温差小，第一气凝胶层2所需的厚度小。如果把第一真空绝热被层5设置于第一气凝胶层2内部，则第一真空绝热被层5无法被支撑而无法实现。实际操作时，可在第一真空绝热被层5外侧设置一圆筒形薄不锈钢板，可包裹住真空绝热被，另外该钢板也可作为液氮冷屏的冷屏板。本发明实施例中，第一真空绝热被层5中的填充纤维可以选用玻璃纤维、化学纤维等，具体不做限定。
液氮冷屏层：液氮冷屏层由于具有可以通入低温(-196℃)的液氮，因此可以将环境的大部分辐射传热的热量带走，从而起到阻止辐射传热的作用。如果将液氮冷屏层设置在罐身外罐1的内壁上，则将使得外罐1内壁的温度降到非常低，外罐外壁空气中的水蒸汽遇到低温的外罐1，将在罐壁表面上出现冷凝并结冰的现象；如果液氮冷屏层设置在第一气凝胶层2中间，从温度梯度来看，内罐到液氮冷屏层的温度变化是-253℃到-196℃，液氮冷屏层到外罐的温度变化为-196℃到环境温度，这种布置方式由于液氮冷屏层到外罐的距离相比本案的布置方式短，在相同的温差下(-196℃到环境温度)，要想获得与本发明实施例相同的保温效果，液氮冷屏管需要布置得更密，液氮管要更大，这不利于节能降本。
第一气凝胶层2：第一气凝胶层2是由气凝胶粉末堆积的隔热层，将其设置在液氮冷屏层和罐身的外罐1之间，气凝胶粉末具有的纳米多孔网络结构使其能够有效消除大部分的气体对流传热。
进一步地，在本发明的实施例中，第一真空绝热被层5的厚度可以为20-75mm，第一真空绝热被层5的腔体的真空压力应小于等于10-3Pa。这种厚度的第一真空绝热被层5可以保证液氢储罐的绝热性能。实际操作中，第一真空绝热被层5可由多个填充有纤维的柔性腔体在厚度方向叠放获得，比如2层，当然也可以是3层，叠放时可以错缝叠放，这样可以覆盖任意两个相邻腔体之间的漏热点，以提高保温效果。真空绝热被层还可以采用粘合剂将多个柔性腔体粘贴在内罐的外表面，具体的层数可以根据需要灵活调整。如果第一真空绝热被层5过厚，绝热效果提升有限，反而会提高材料成本和安装成本，不经济；如果第一真空绝热被层过薄，绝热效果不好。
具体的，在本发明实施例中，第一真空绝热被层5的腔体可以由如下任意一种材料制得：铝箔复合纤维布、高分子薄膜。铝箔复合纤维布具有强化反射的特点，表面光滑平整，纵横向抗拉强度大，不透气，不透水，密封性能好，因此可以保证腔体内的真空环境，同时强化反射铝箔还能起到阻止辐射传热的效果，使其具有良好的绝热性能。
更具体的，结合图3以及图4，在本发明实施例中，液氮冷屏层可以包括液氮管3和冷屏板4，液氮管3通过钎焊形式焊接在冷屏板4上，冷屏板4可以是固定在第一真空绝热被层5外侧的圆筒形薄不锈钢板，冷屏板4的最高点高度可以为内罐6内液氢液位的高度，液氮管3与第一气凝胶层2接触。液氮管3内有液氮，液氮的温度低，可以将外部环境的辐射热吸走，并由液氮管3中的液氮循环带走，这样可以降低环境的辐射传热，保证了液氢储罐的绝热效果。为了提高效果，液氮管3可以密集的相对布置，比如，相邻的液氮管间的距离为1000mm左右，液氮管的直径可以为1英寸，其材质可以选择导热系数高的紫铜，也可以选用其他导热系数高的材质，在此不做具体限定。
更具体的，在本发明实施例中，第一气凝胶层2可以由如下至少一种气凝胶粉末堆积获得：二氧化硅气凝胶、碳化物气凝胶，其中碳化物气凝胶可以选用碳化硅气凝胶、碳化硼气凝胶中的任意一种，当然也可以根据需要选择其他的气凝胶。气凝胶具有纳米多孔网络结构，可以有效消除大部分的空气对流传热。第一气凝胶层2与第一真空绝热被层5的组合，可以将绝大部分的空气对流传热、传导传热消除，同时也可消除少部分的辐射传热。
进一步地，在本发明实施例中，第一气凝胶层2的厚度可以为800-1000mm。这种厚度的气凝胶层，一方面具有良好的绝热效果，另一方，还便于施工。如果气凝胶层的厚度过小，那么无法施工(即人要能进入内外罐之间的空间进行施工)，绝热效果还差；如果气凝胶层的厚度过大，会造成气凝胶层装填量大，而绝热效果提升不明显，造成成本高。
结合图1，在本实施例中，液氢储罐的罐顶的绝热层由内到外可以依次包括第二真空绝热被层14和第二气凝胶层13，其中，第二真空绝热被层14与罐顶的内罐6连接，第二气凝胶层14填充在罐顶的外罐1和第二真空绝热被层14之间；由于液氢储罐内液氢液位线低于罐顶，因此，罐顶内部与液氢不直接接触，灌顶内部温度高于液氢温度，故为了在保证绝热效果并平衡成本，灌顶的绝热层可以不设置液氮冷屏层。第二真空绝热被层14可以设置成与第一真空绝热被层5相同填充物和相同腔体的真空绝热被，第二气凝胶层13亦可以选用与第一气凝胶层2相同的填充物。
在本实施例中，液氢储罐的罐底的绝热层可以包括玻璃钢7，具体的，可以将强度高、导热系数低的玻璃钢7及高强度硬质聚氨酯环梁组合设置，以支撑整个内罐6的重量载荷，同时还可以将内罐6的罐底和外罐1罐底之间的接触热传导降低至最小的水平。
结合5以及图6，在本实施例中，液氢储罐的顶部可以设置有入口管10和出口管12，入口管10和出口管12均可以包括第一内管1201以及密封套装在第一内管1201外的第一外管1202，这样第一内管1201和第一外管1202之间可以形成密封腔，密封腔可以为真空，以阻止空气的对流传热，以提高绝热性能，提高液氢储罐的绝热效果。另外，第一内管1201和第一外管1202均依次插入外罐1、绝热层和内罐6进入内罐内。另外，第一内管1201和第一外管1202都可以为内伸式管。另外，为了使正氢转化为仲氢，可以在入口管10内放置正仲氢转化催化剂11。
具体的，结合图5和图6，第一外管1202的中部可以设置有波纹管补偿器1203，以补偿热胀冷缩。波纹管补偿器1203与外管1202焊接连接；另外，在第一内管1201和第一外管1202的连接处还可以设置玻璃钢热阻，以减少热传导。
进一步地，在本发明实施例中，考虑到低温下液氢储罐内仲氢与正氢平衡状态下仲氢占99％以上，由于正氢转化为仲氢属放热过程，则仲氢在催化剂作用下转换为正氢是吸热过程，所以可以借助此过程对液氢罐的蒸发气体(BOG)进行预冷，实现冷量的回收，同时对BOG进行回收利用，实现液氢储罐的长周期低损耗储存。为此，在液氢储罐的内罐6的气相空间中设置了一个列管式仲正氢催化转化器9，仲正氢催化转化器9可以由内罐6的支撑杆支撑，如图1所示。
结合图7，本实施例的仲正氢催化转化器9的管程换热管内设置有仲正氢转化催化剂，仲正氢催化转化器9的管程入口901与液氢储罐的入口管10连通，仲正氢催化转化器9的管程出口902穿过液氢储罐的顶部与深冷冷箱入口连通，仲正氢催化转化器9的壳程出口904穿过液氢储罐的顶部与深冷冷箱入口连通。由液氢入口管10引一股含99％以上仲氢的液氢进入仲正氢催化转化器9的管程入口，管程中的列管装填了仲正氢转化催化剂，在催化剂的作用下，仲氢部分转化为正氢并吸收热量；液氢罐气相空间的BOG经仲正氢催化转化器9壳程吸入口在压差作用下通过换热管与管程介质逆流换热，从而实现BOG气体部分冷凝。壳程部分冷凝后的气液两相氢通过管路返回至深冷冷箱入口处，同时管程部分转化为正氢的混合液氢也返回至深冷冷箱入口，这两股介质在深冷冷箱中继续深冷并且经过多级正仲氢转化为含仲氢99％以上的液氢返回至储罐中。仲正氢催化转化器9可以采用现有技术中的列管式换热器，其具有壳程入口903、壳程出口904、管程入口901以及管程出口902，例如，可以选用公开号为CN103486883A的专利申请公开的换热器，当然还可以选用任何可以实现本发明功能的列管式换热器，在此不做具体限定。
更进一步地，为了防止内罐6和外罐1夹层中即绝热层中空气中的湿气在低温下的冷凝和结冰，从而影响绝热结构的绝热性能，还可以在内外罐之间的夹层中充入了微正压为15-30kPa的干燥氢气。本发明提供的液氢储罐可以设置在混凝土承台8上。
进一步地，内罐6和外罐1均可以由奥氏体不锈钢制成。在本发明中，不锈钢可以选择S31603，抗拉强度≥480MPa，具体的不锈钢种类，可根据实际需要选择，在此不作具体限定。
为防止内罐6和外罐1发生失稳，内罐6和外罐的罐顶与罐壁之间还可以设置抗压环结构。在本发明的实施例中，液氢储罐可以采用立式圆筒形的双金属全容罐，即液氢储罐的罐顶为固定拱顶结构，液氢储罐的下部为平底圆筒形，内罐6以及外罐1之间的距离约为800-1100mm。
本发明采用纤维填充的抽真空的柔性腔体作为第一真空绝热被层5，配液氮冷屏层和第一气凝胶层2，从温度梯度来看，内罐中的液氢温度是-253℃，经过第一真空绝热被层5到液氮冷屏层的-196℃(即液氮的温度，也即冷屏的温度)，液氮冷屏层到外罐经过第一气凝胶层2温度从-196℃到环境温度，符合温度梯度的分布。采用第一真空绝热被层5、液氮冷屏层和第一气凝胶层2组合绝热方式，使液氢储罐具有良好的绝热性能。经过计算，这种结构的液氢储罐的日蒸发率为0.13％/天；由于这种组合式的绝热结构以及常压储存且内外罐之间无需抽真空的特点，使得内外罐在现有材料的强度下能够实现且经济合理，从而使得该液氢储罐能够实现大型化，其容积可以达到10000m3。依托此液氢储罐在运行过程中的经验和数据积累，未来该液氢储罐可扩展至更大容积，如50000m3，甚至80000m3。
下面将结合具体的实施例对本发明提供的一种液氢储罐进行详细描述。
实施例1
实施例1提供了一种容积为10000m3的立式圆筒形双金属全容液氢储罐，液氢储罐固定设置在高桩混凝土承台上，液氢储罐可以采用立式圆筒形的双金属全容罐，即液氢储罐的罐顶为固定拱顶，液氢储罐的下部为平底圆筒形。该液氢储罐由内到外依次包括内罐、绝热层和外罐。
内罐下部圆筒形部分的直径为28000mm，内罐的罐壁高度为17900mm，内罐拱顶球壳内半径为R22400mm，内罐所用材料为奥氏体不锈钢S31603，设计温度为-253℃，设计压力微正压30kPa；外罐下部圆筒形部分的直径为30000mm，外罐的罐壁高度为21000mm，外罐拱顶球壳内半径为R24000mm，外罐所用材料也为奥氏体不锈钢S31603，设计压力为微正压20kpa，液氢的操作液位高度为16900mm。
圆筒形部分的绝热层包括由内到外依次设置的真空绝热被层、液氮冷屏层和气凝胶层，其中真空绝热被层为填充有玻璃纤维的由铝箔复合纤维布制成的腔体组成，该腔体抽真空，单层真空绝热被的厚度为25mm，真空绝热被的真空压力为0.001Pa，该腔体在腔体厚度方向错缝堆叠，形成厚度为75mm的真空绝热被层；气凝胶层由二氧化硅气凝胶堆积而成，气凝胶层的厚度为1000mm。
拱顶球部分的绝热层包括由内到外依次设置的真空绝热被层和气凝胶层，其中真空绝热被层以及气凝胶层均与圆筒形部分相同。
实施例2
实施例2提供了一种液氢储罐，该液氢储罐与实施例1的不同之处在于：液氢储罐的容积为5000立方米，内罐下部圆筒形部分的直径为22500mm，内罐的罐壁高度为16000mm，内罐拱顶球壳内半径为R18000mm，外罐下部圆筒形部分的直径为24500mm，外罐的罐壁高度为19000mm，外罐拱顶球壳内半径为R19600mm，液氢的操作液位高度为14000mm。
单层真空绝热被的厚度为10mm，真空绝热被总厚度为20mm。
实施例3
实施例3提供了一种液氢储罐，该液氢储罐与实施例1的不同之处在于：液氢储罐的容积为8000立方米，内罐下部圆筒形部分的直径为26000mm，内罐的罐壁高度为18700mm，内罐拱顶球壳内半径为R20800mm，外罐下部圆筒形部分的直径为28000m，外罐的罐壁高度为21700mm，外罐拱顶球壳内半径为R22400mm，液氢的操作液位高度为16000mm。
单层真空绝热被的厚度为15mm，真空绝热被总厚度为45mm。
对比例1
对比例1提供了一种液氢储罐，其容积为10000m3，该液氢储罐由内到外包括内罐、绝热层和外罐，绝热层仅由珠光砂堆积而成，绝热层的厚度为1000mm，内罐和外罐的尺寸和形状均与实施例1相同。
对比例2
对比例2提供了一种液氢储罐，以对比例1为参照，对比例2与对比例1不同的是：绝热层由二氧化硅气凝胶堆积而成，其余与对比例1相同。
对比例3
对比例3提供了一种液氢储罐，以实施例1为参照，该液氢储罐与实施例1的不同之处在于：绝热层为气凝胶层和液氮冷屏层组成，液氮冷屏层设置在气凝胶中间。
对比例4
对比例4提供了一种液氢储罐，该液氢储罐与实施例1的不同之处在于：绝热层由内至外，由厚度为20mm的真空绝热被层与厚度为800mm的二氧化硅气凝胶组成的气凝胶层组成。
对比例5
对比例5提供了一种液氢储罐，该液氢储罐与实施例1的不同之处在于：绝热层由内至外，由厚度为75mm的真空绝热被层与厚度为1000mm的二氧化硅气凝胶组成的气凝胶层组成。
对实施例1-3以及对比例1-5提供的液氢罐在运行过程中进行日蒸发率统计，并计算液氢储罐的综合导热系数(液氢储罐罐底、罐顶和罐身的绝热层的平均导热系数)，具体如表1所示。
表1
Figure BDA0003073697970000101
由表1中数据可知，实施例1-3提供的液氢储罐的绝热层的综合导热系数为0.0105-0.0222Kca/(m.h.K)，日蒸发率为0.1358-0.4163％。
对比例1中，圆筒形部分以珠光砂堆积的绝热层的液氢储罐，该液氢储罐绝热层的综合导热系数为0.5907Kca/(m.h.K)，日蒸发率为7.6618％，日蒸发率远远高于本发明实施例。
对比例2中，圆筒形部分以二氧化硅气凝胶堆积的绝热层的液氢储罐，该液氢储罐绝热层的综合导热系数为0.5692Kca/(m.h.K)，日蒸发率为7.3829％，日蒸发率也远远高于本发明实施例。
对比例3中，圆筒形部分以气凝胶层和液氮冷屏层作为绝热层的液氢储罐，该液氢储罐绝热层的综合导热系数为0.0558Kca/(m.h.K)，日蒸发率为0.7238％，日蒸发率也远远高于本发明实施例。
对比例4中，圆筒形部分以真空绝热被层与二氧化硅气凝胶层作为绝热层的液氢储罐，该液氢储罐的综合导热系数为0.5669Kca/(m.h.K)，日蒸发率为7.3531％，日蒸发率也远远高于本发明实施例。
对比例5中，圆筒形由内到外为75mm的真空绝热被层与厚度为1000mm的二氧化硅气凝胶组成的气凝胶层组成的，该液氢储罐的综合导热系数为0.5606Kca/(m.h.K)，日蒸发率为7.2713％，日蒸发率也远远高于本发明实施例。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种液氢储罐，所述液氢储罐为常压立式圆筒形双金属全容罐，所述液氢储罐的罐体包括由内到外依次设置的内罐、绝热层和外罐，其特征在于，
所述液氢储罐的罐身的所述绝热层包括由内到外依次设置的第一真空绝热被层、液氮冷屏层和第一气凝胶层，所述第一真空绝热被层为填充有纤维的柔性腔体，所述腔体抽成真空；所述第一真空绝热被层固定设置在所述罐身的所述内罐的外壁上，所述液氮冷屏层固定设置在所述第一真空绝热被层上，所述第一气凝胶层填充在所述液氮冷屏层和所述罐身的所述外罐之间。
2.根据权利要求1所述的一种液氢储罐，其特征在于，所述第一真空绝热被层的厚度为20-75mm，所述第一真空绝热被层的腔体真空压力小于等于10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的一种液氢储罐，其特征在于，所述第一真空绝热被层的腔体由如下任意一种材料制得：铝箔复合纤维布、高分子薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种液氢储罐，其特征在于，所述液氮冷屏层包括冷屏板以及固定设置在所述冷屏板上的液氮管，所述冷屏板固定设置在所述第一真空绝热被层上，所述液氮管与所述第一气凝胶层接触。
5.根据权利要求1所述的一种液氢储罐，其特征在于，所述第一气凝胶层由如下至少一种气凝胶堆积制得：二氧化硅气凝胶、碳化物气凝胶；所述第一气凝胶层的厚度为800-1000mm。
6.根据权利要求1所述的一种液氢储罐，其特征在于，所述液氢储罐的罐顶的所述绝热层包括由内到外依次设置的第二真空绝热被层和第二气凝胶层，所述第二真空绝热被层与所述罐顶的所述内罐连接，所述第二气凝胶层填充在所述罐顶的所述外罐和所述第二真空绝热被层之间；所述液氢储罐的罐底的所述绝热层包括玻璃钢。
7.根据权利要求1所述的一种液氢储罐，其特征在于，所述液氢储罐的顶部设置有入口管和出口管，所述入口管和所述出口管均包括第一内管以及密封套装在所述第一内管外的第一外管，所述第一内管和所述第一外管之间形成密封腔，所述密封腔为真空，所述第一内管和所述第一外管一端均依次插入所述外罐、所述绝热层和所述内罐进入所述内罐内。
8.根据权利要求7所述的一种液氢储罐，其特征在于，所述第一外管中部设置有波纹管补偿器。
9.根据权利要求1所述的一种液氢储罐，其特征在于，所述液氢储罐内的顶部设置有列管式仲正氢催化转化器，所述仲正氢催化转化器的管程换热管内设置有仲正氢转化催化剂，所述仲正氢催化转化器的管程入口与所述液氢储罐的所述入口管连通，所述仲正氢催化转化器的管程出口穿过所述液氢储罐的顶部与深冷冷箱入口连通，所述仲正氢催化转化器的壳程出口穿过所述液氢储罐的顶部与所述深冷冷箱入口连通。
10.根据权利要求1所述的一种液氢储罐，其特征在于，所述内罐和所述外罐之间填充有压力为15-30KPa的氢气。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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