CN115419822A - 利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统。本发明的目的是提供一种利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统。本发明的技术方案是：一种利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于，包括：储氢气瓶组，用于存储仲氢含量较高的氢气；加氢机，用于将氢气加注到目标氢气瓶中；氢气预冷模块，设置于所述储氢气瓶组和加氢机之间，具有N个仲正氢转化器，用于利用仲氢向正氢转化过程吸热完成加注氢气的预冷，N≥1。本发明适用于氢站领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统。适用于加氢站领域。
背景技术
随着国家氢能战略的发展，氢气燃料电池汽车得到了快速推广，作为重要配套设施的加氢站建设也在加速进行。由于今后很多加氢站的单站日加氢量将会远超1000 kg，所以液氢储运型加氢站会在未来氢能产业链中占据非常重要的位置，可以实现更高效的储氢效率。
当前加氢站主要以提供高压氢气加注服务为主，储存压力分为35MPa和70MPa两种。由于焦汤效应的作用，高压氢气加注进车载氢气瓶后会在瓶内膨胀，导致瓶内温度上升，并且加注压力越高，温度上升越快。由于加注速度快，车载储氢气瓶不能及时散热，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，需要对加注前的高压氢气进行预冷降温。
目前，主要有三种预冷方式。一是在高压氢气源与加氢机之间加入制冷循环系统，预冷效果稳定，但功耗较大；二是利用液氢泵出口的液氢与高压氢气进行混配，液氢蒸发后吸热达到预冷的目的，但存在液氢调节滞后和失调的风险，同时配置系统比较繁冗；三是利用液氢汽化时的冷量进行高压氢气预冷，但由于液氢汽化和高压氢气加注的时间难以合理匹配，通常需要配置蓄冷循环系统，增加了系统的复杂性，同时造成了液氢汽化的高品位冷能损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统。
本发明所采用的技术方案是：一种利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于，包括：
储氢气瓶组，用于存储仲氢含量较高的氢气；
加氢机，用于将氢气加注到目标氢气瓶中；
氢气预冷模块，设置于所述储氢气瓶组和加氢机之间，具有N个仲正氢转化器，用于利用仲氢向正氢转化过程吸热完成加注氢气的预冷，N≥1。
所述氢气预冷模块包括N个所述仲正氢转化器和能控制储氢气瓶组和加氢机之间仲正氢转化器接入数量的接入控制管路。
所述接入控制管路将N个所述仲正氢转化器串接，各仲正氢转化器分别经氢气阀连通所述储氢气瓶组。
还包括：
液氢存储装置，用于存储仲氢含量较高的液氢，并为所述储氢气瓶组提供氢气。
所述液氢存储装置包括站用液氢储罐，站用液氢储罐经液氢管路连通用于将液氢汽化的空气汽化器，其中液氢管路上设有液氢泵和低温介质换热器，空气汽化器出气口连通所述储氢气瓶组；
所述低温介质换热器上接有用于利用低温介质换热器内液氢汽化产生的冷量冷却所述站用液氢储罐的冷却装置。
所述冷却装置具有罩于所述站用液氢储罐外的低温冷屏，低温冷屏出口端经低温介质循环管路连通所述低温介质换热器的进口，该低温介质循环管路上设有低温介质阀和低温介质泵；低温介质换热器出口经另一低温介质循环管路连通所述低温冷屏进口端。
所述低温介质循环管路中的低温介质为液氮、液氩或二氧化碳。
所述低温介质换热器选用板式换热器；所述空气汽化器选用翅片管式换热器。
所述仲正氢转化器外包覆绝热材料。
所述仲正氢转化器内部具有多孔介质，多孔介质表面涂敷有仲正转化催化剂。
本发明的有益效果是：本发明利用高压氢气自身的仲正转化过程完成氢气预冷目标，结构简单，操作方便，无需附加额外的制冷或其他冷却设备。
本发明通过接入控制管路配合控制仲正氢转化器接入数量，从而实现不同加注流量下的高压氢气预冷温度精确调节。
本发明通过低温介质换热器配合冷却装置，将液氢汽化的高品位冷量用于冷却站用液氢储罐的低温冷屏，有效减少液氢的损耗量。
本发明仲正氢转化冷量和液氢汽化冷量的协同使用，实现了加注过程冷能的高效利用，有利于提高液氢储运型加氢站的运行效率和整体稳定性。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
图中：液氢管路1、站用液氢储罐2、低温冷屏3、液氢阀4、液氢泵5、低温介质换热器6、空气汽化器7、低温介质循环管路8、低温介质阀9、低温介质泵10、70MPa高压氢气管路11、70MPa储氢气瓶组12、第一氢气阀13、第一仲正氢转化器14、第二仲正氢转化器15、第二氢气阀16、70MPa加氢机17、35MPa高压氢气管路18、35MPa储氢气瓶组19、第三氢气阀20、第三仲正氢转化器21、第四仲正氢转化器22、第四氢气阀23、35MPa加氢机24。
具体实施方式
如图1所示，本实施例为一种利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，包括依次连通的液氢存储装置、储氢气瓶组、氢气预冷模块和加氢机等。
本实施例中液氢存储装置包括站用液氢储罐2、液氢阀4、液氢泵5、低温介质换热器6和空气汽化器7，站用液氢储罐2经液氢管路1连通空气汽化器7，并在液氢管路1上依次设有液氢阀4、液氢泵5和低温介质换热器6，其中低温介质换热器6上接有冷却装置，冷却装置利用低温介质换热器6内液氢汽化产生的冷量冷却站用液氢储罐2。
本例中冷却装置具有罩于站用液氢储罐2外的低温冷屏3，低温冷屏3出口端经低温介质循环管路8连通低温介质换热器6的进口，该低温介质循环管路8上设有低温介质阀9和低温介质泵10；低温介质换热器6出口经另一低温介质循环管路8连通低温冷屏3进口端。
本实施例中低温介质循环管路8中的低温介质可以为液氮、液氩和二氧化碳等具有较高安全特性的液态低温介质。本例中低温介质换热器6可选用板式换热器，空气汽化器7可选用翅片管式换热器。
本实施例中储氢气瓶组包括70MPa储氢气瓶组12和35MPa储氢气瓶组19，70MPa储氢气瓶组12和35MPa储氢气瓶组19内部均包含多个高压储氢气瓶，空气汽化器7出气口经70MPa高压氢气管路11和35MPa高压氢气管路18分别连通70MPa储氢气瓶组12和35MPa储氢气瓶组19。
本实施例中站用液氢储罐2中的液氢为仲氢含量较高的液氢，汽化后在没有催化剂的作用下会依然维持原始的仲正氢比值，故70MPa储氢气瓶组12和35MPa储氢气瓶组19中的氢气为仲氢含量较高的氢气（仲氢含量大于99%的氢气）。
本例中70MPa储氢气瓶组12经氢气预冷模块连通70MPa加氢机17，该氢气预冷模块包括两个仲正氢转化器（第一、第二仲正氢转化器15）和接入控制管路，该接入控制管路包括70MPa供气管和70MPa旁通管路，其中70MPa供气管两端分别连通70MPa储氢气瓶组12和70MPa加氢机17，70MPa供气管上沿氢气输送方向依次设有第一仲正氢转化器14和第二仲正氢转化器15；70MPa储氢气瓶组12与第一仲正氢转化器14之间设有位于70MPa供气管上的第一氢气阀13，70MPa储氢气瓶组12与第二仲正氢转化器15之间经70MPa旁通管路连通，70MPa旁通管路上设有第二氢气阀16。接入控制管路通过控制第一、二氢气阀的通断控制70MPa储氢气瓶组12和70MPa加氢机17之间仲正氢转化器接入数量。
本实施例例中35MPa储氢气瓶组19经氢气预冷模块连通35MPa加氢机24，该氢气预冷模块包括两个仲正氢转化器（第三、第四仲正氢转化器22）和接入控制管路，该接入控制管路包括35MPa供气管和35MPa旁通管路，其中35MPa供气管两端分别连通35MPa储氢气瓶组19和35MPa加氢机24，35MPa供气管上沿氢气输送方向依次设有第三仲正氢转化器21和第四仲正氢转化器22；35MPa储氢气瓶组19与第三仲正氢转化器21之间设有位于35MPa供气管上的第三氢气阀20，35MPa储氢气瓶组19与第四仲正氢转化器22之间经35MPa旁通管路连通，35MPa旁通管路上设有第四氢气阀23。接入控制管路通过控制第三、四氢气阀的通断控制35MPa储氢气瓶组19和35MPa加氢机24之间仲正氢转化器接入数量。
本实施例通过在高压储氢气瓶组和加氢机之间设置仲正氢转化器，仲氢即可在催化剂的作用下向正氢转化，转化过程吸热完成加注氢气的预冷。
本例中仲正氢转化器外包均包覆绝热材料，使内部的仲正转化过程为绝热转化。仲正氢转化器内部具有多孔介质，多孔介质表面涂敷仲正转化催化剂，以增加催化剂与氢气的接触面积。
本实施例的工作原理如下：
首先假设系统中所有的阀门和泵等设备均处于关闭或停止运行的状态。
步骤一：开启低温介质阀9和低温介质泵10，低温介质在泵的驱动下通过低温介质循环管路8依次流经低温介质阀9、低温介质泵10、低温介质换热器6、低温冷屏3，将低温介质换热器6内液氢汽化产生的冷量传递到低温冷屏3中，提升站用液氢储罐2的绝热性能。
步骤二：开启液氢阀4和液氢泵5，站用液氢储罐2内的液氢通过液氢管路1流经液氢阀4后进入液氢泵5增压，随后进入低温介质换热器6进行初始汽化，此时大部分液氢已完成汽化，但依然会处于液氢温区，随后进入空气汽化器7，吸收外部空气热量，剩余少部分液氢完成汽化，并使氢气温度升高至室温附近，最后通过70MPa高压氢气管路11完成70MPa储氢气瓶组12的充注，通过35MPa高压氢气管路18完成35MPa储氢气瓶组19的充注。
步骤三：70MPa氢气较大流量加注（加氢站设计加注量的50-100%）时，开启第一氢气阀13，70MPa储氢气瓶组12的高压氢气依次经过第一氢气阀13、第一仲正氢转化器14和第二仲正氢转化器15，通过仲正氢转化冷却降温，随后通过70MPa加氢机1717完成大流量加注。
70MPa氢气较小流量加注（<加氢站设计加注量的50%）时，开启第二氢气阀16，70MPa储氢气瓶组12的高压氢气依次经过第二氢气阀16和第二仲正氢转化器15，通过仲正氢转化冷却降温，随后通过70MPa加氢机17完成小流量加注。
35MPa氢气较大流量加注（加氢站设计加注量的50-100%）时，开启第三氢气阀20，35MPa储氢气瓶组19的高压氢气依次经过第三氢气阀20、第三仲正氢转化器21和第四仲正氢转化器22，通过仲正氢转化冷却降温，随后通过35MPa加氢机24完成大流量加注。
35MPa氢气较小流量加注（<加氢站设计加注量的50%）时，开启第四氢气阀23，35MPa储氢气瓶组19的高压氢气依次经过第四氢气阀23和第四仲正氢转化器22，通过仲正氢转化冷却降温，随后通过35MPa加氢机24完成小流量加注。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于，包括：
储氢气瓶组，用于存储仲氢含量较高的氢气；
加氢机，用于将氢气加注到目标氢气瓶中；
氢气预冷模块，设置于所述储氢气瓶组和加氢机之间，具有N个仲正氢转化器，用于利用仲氢向正氢转化过程吸热完成加注氢气的预冷，N≥1。
2.根据权利要求1所述的利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于：所述氢气预冷模块包括N个所述仲正氢转化器和能控制储氢气瓶组和加氢机之间仲正氢转化器接入数量的接入控制管路。
3.根据权利要求2所述的利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于：所述接入控制管路将N个所述仲正氢转化器串接，各仲正氢转化器分别经氢气阀连通所述储氢气瓶组。
4.根据权利要求1所述的利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于，还包括：
液氢存储装置，用于存储仲氢含量较高的液氢，并为所述储氢气瓶组提供氢气。
5.根据权利要求4所述的利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于：所述液氢存储装置包括站用液氢储罐，站用液氢储罐经液氢管路连通用于将液氢汽化的空气汽化器，其中液氢管路上设有液氢泵和低温介质换热器，空气汽化器出气口连通所述储氢气瓶组；
所述低温介质换热器上接有用于利用低温介质换热器内液氢汽化产生的冷量冷却所述站用液氢储罐的冷却装置。
6.根据权利要求5所述的利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于：所述冷却装置具有罩于所述站用液氢储罐外的低温冷屏，低温冷屏出口端经低温介质循环管路连通所述低温介质换热器的进口，该低温介质循环管路上设有低温介质阀和低温介质泵；低温介质换热器出口经另一低温介质循环管路连通所述低温冷屏进口端。
7.根据权利要求6所述的利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于：所述低温介质循环管路中的低温介质为液氮、液氩或二氧化碳。
8.根据权利要求5或6所述的利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于：所述低温介质换热器选用板式换热器；所述空气汽化器选用翅片管式换热器。
9.根据权利要求1~3任意一项所述的利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于：所述仲正氢转化器外包覆绝热材料。
10.根据权利要求1~3任意一项所述的利用仲正氢转化冷量的液氢储运型加氢站氢气加注系统，其特征在于：所述仲正氢转化器内部具有多孔介质，多孔介质表面涂敷有仲正转化催化剂。
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