CN116624752A - 一种低蒸发率的液氢储供系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低蒸发率的液氢储供系统，包括第一发电型氢换热器、第二发电型氢换热器和液氢储罐，所述液氢储罐上安装有氢气液化单元和液氢增压单元。本发明利用常规废弃的高品质氢冷量进行温差发电，具有无噪声、高可靠、长寿命等优点，并将产生的电能用于减少液氢蒸发损耗，大幅延长液氢介质的存储时间，提升系统整体经济性。设计了新型的发电型氢换热器，实现仲正氢转化、冷热源换热、温差发电等多种过程的高效集成，简化系统结构，具有显著的轻量化特征，此外，特定温度的冷热源还可维持温差发电片的效率稳定。根据氢储供系统的运行特性及温差发电的差异，设计多种运行模式，综合提升电能利用率，降低系统的整体蒸发率。

Description

一种低蒸发率的液氢储供系统

技术领域

本发明涉及氢能装备技术领域，尤其涉及一种低蒸发率的液氢储供系统。

背景技术

储氢技术作为氢气从生产到利用过程中的桥梁，是指将氢以稳定形式的能量储存起来，以方便使用的技术。储氢技术主要有：高压气态储氢和液化储氢。高压气态储氢是指在氢气临界温度以上，通过高压压缩的方式存储气态氢。通常采用气罐作为容器，主要优点是存储能耗低、成本较低、充放氢速度快，而且可以通过减压阀就可以调控氢气的释放。然而，该技术的储氢密度受压力影响较大，压力又受储罐材质限制。液化储氢是将氢气压缩后深冷到20K使之液化成液氢，然后存入特制的绝热真空容器中保存。与高压气态储氢相比，低温液态储氢的质量储氢、体积储氢密度均有大幅度提高，是一种极为理想的储氢方式。

液氢储存面临两大技术难点：一是氢液化能耗大，工程实际中氢液化耗费大约在8-15KWh/kg。二是液氢储存的绝热问题，由于储槽内液氢与环境温差大，对储槽及其绝热材料的选材和储槽的设计均有很高的要求。尽管如此，对于储存容积较小的小型储存器，一般采用真空超级绝热或外加液氮保护屏的真空超级绝热，蒸发损失大约为0.4％/d。而对于真空粉末绝热的大型储槽而言，其蒸发损失约为1％/d。总的来说，液化储氢技术储存设备成本较高，安全技术也相对复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种低蒸发率的液氢储供系统，该系统可以利用氢冷量产生电能的发电型氢换热器，同时根据系统运行特性设计了几种不同的运行模式，大幅减小液氢储供系统的蒸发率。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种低蒸发率的液氢储供系统，包括第一发电型氢换热器、第二发电型氢换热器和液氢储罐，所述液氢储罐上安装有氢气液化单元和液氢增压单元，第一发电型氢换热器的输入端分别连接有空气进气管路和氢管路a，第一发电型氢换热器输出端分别连接有氢气排空管路和空气排放管路，氢管路a与氢气液化单元相连；

第二发电型氢换热器的输入端分别连接有氢管路b和空气供应管路，空气供应管路与空气进气管路相连，氢管路b与液氢储罐相连，第二发电型氢换热器输出端连接有氢动力系统。

优选地，所述液氢储罐包括液氢储罐内壳体和液氢储罐外壳体，所述液氢增压单元位于液氢储罐内壳体和液氢储罐外壳体之间，液氢储罐内壳体和液氢储罐外壳体之间抽真空，实现罐体高效绝热。

优选地，所述氢气液化单元包括与液氢储罐内壳体相连的氢气再液化管路，氢气再液化管路上分别安装有氢气液化阀和低温冷机。

优选地，所述液氢增压单元包括与液氢储罐内壳体相连的液氢循环管路，液氢循环管路上分别安装有液氢增压泵和节流阀。

优选地，所述第一发电型氢换热器和第二发电型氢换热器均包括冷流体氢通道和热流体空气通道，冷流体氢通道上设有发电片冷端，热流体空气通道上设有发电片热端，发电片冷端和发电片热端均通过导电片分别连接有P型半导体和N型半导体，冷流体氢通道与发电片冷端、热流体空气通道与发电片热端之间涂敷有高导热材料，，减小接触热阻。

优选地，所述冷流体氢通道内部装填有仲正氢转化催化剂，仲正氢转化催化剂涂敷在高导热金属介质表面，增加接触面积。

优选地，所述空气进气管路上分别安装有空气压缩机、干燥器和第二空气阀，干燥器内部填充高吸水性吸附剂。

优选地，所述氢管路a、空气供应管路、氢管路b上一一对应安装有氢气排空阀、第一空气阀和液氢截止阀，所述第一发电型氢换热器、低温冷机、第二发电型氢换热器和液氢增压泵通过电源线与储能单元相连。

优选地，所述氢动力系统为氢发动机或氢氧燃料电池。

优选地，所述第一发电型氢换热器和第二发电型氢换热器内部的冷热流体均采用逆流换热结构，提升换热效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用常规废弃的高品质氢冷量进行温差发电，具有无噪声、高可靠、长寿命等优点，并将产生的电能用于减少液氢蒸发损耗，大幅延长液氢介质的存储时间，提升系统整体经济性。设计了新型的发电型氢换热器，实现仲正氢转化、冷热源换热、温差发电等多种过程的高效集成，简化系统结构，具有显著的轻量化特征，此外，特定温度的冷热源还可维持温差发电片的效率稳定。根据氢储供系统的运行特性及温差发电的差异，设计多种运行模式，综合提升电能利用率，降低系统的整体蒸发率。

附图说明

为了更具体直观地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要介绍。

图1是本发明一种低蒸发率的液氢储供系统的结构示意图；

图2是本发明发电型氢换热器的结构示意图。

图中：氢气排空管路1、氢气排空阀2、第一发电型氢换热器3、氢气再液化管路4、氢气液化阀5、低温冷机6、氢管路b7、液氢截止阀8、液氢泵9、第二发电型氢换热器10、氢动力系统11、空气进气管路12、空气供应管路13、空气排放管路14、空气压缩机15、干燥器16、第一空气阀17、第二空气阀18、电源线19、液氢循环管路20、液氢增压泵21、节流阀22、液氢储罐内壳体23、液氢储罐外壳体24、冷流体氢通道25、仲正氢转化催化剂26、发电片冷端27、P型半导体28、N型半导体29、导电片30、发电片热端31、热流体空气通道32。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-2，一种低蒸发率的液氢储供系统，包括氢气排空管路1、氢气排空阀2、第一发电型氢换热器3、氢气再液化管路4、氢气液化阀5、低温冷机6、氢管路b7、液氢截止阀8、液氢泵9、第二发电型氢换热器10、氢动力系统11、空气进气管路12、空气供应管路13、空气排放管路14、空气压缩机15、干燥器16、第一空气阀17、第二空气阀18、电源线19、液氢循环管路20、液氢增压泵21、节流阀22、液氢储罐内壳体23、液氢储罐外壳体24。

第一发电型氢换热器3和第二发电型氢换热器10，其包括冷流体氢通道25、仲正氢转化催化剂26、发电片冷端27、P型半导体28、N型半导体29、导电片30、发电片热端31、热流体空气通道32。

氢气排空管路1依次连接液氢储罐内壳体23、氢气排空阀2、第一发电型氢换热器3的冷流体氢通道25，将液氢存储时产生的蒸汽BOG排出，并利用其显热和仲正氢转化热产生电能；

氢气再液化管路4依次连接液氢储罐内壳体23、氢气液化阀5、低温冷机6、液氢储罐内壳体23，利用低温冷机6将液氢存储时产生的蒸汽BOG再液化并输送至液氢储罐内壳体23内存储；

氢管路b7依次连接液氢储罐内壳体23、液氢截止阀8、液氢泵9、第二发电型氢换热器10的冷流体氢通道25、氢动力系统11，将液氢介质输送至氢动力系统11，同时利用液氢显热、潜热和仲正氢转化热产生电能；

空气进气管路12前端连接空气压缩机15、干燥器16，后端分别连接空气供应管路13、空气排放管路14；空气供应管路13依次连接第一空气阀17、第二发电型氢换热器10的热流体空气通道32、氢动力系统11；空气排放管路14依次连接第二空气阀18、第一发电型氢换热器3的热流体空气通道32；

第一发电型氢换热器3和第二发电型氢换热器10的冷流体氢通道25和热流体空气通道32之间形成稳定的温差，在进行高效换热的同时产生电能；

第一发电型氢换热器3和第二发电型氢换热器10内部均包含冷流体氢通道25和热流体空气通道32，冷流体氢通道25内部设置有仲正氢转化催化剂26，两通道之间设置有温差型发电片；发电片冷端27连接冷流体氢通道25，吸收冷量，发电片热端31连接热流体空气通道32，释放热量；发电片冷端27和发电片热端31直接设置由导电片30固定的P型半导体28和N型半导体29，构成整体的温差型发电片。

一种低蒸发率的液氢储供系统存在两种运行模式，具体的运行原理如下：

模式一

液氢储供系统处于静止状态，暂不向外部供应液氢，液氢储罐向外部排放漏热产生的氢气，此时第一发电型氢换热器3产生的电能较少。

首先假设所有阀门处于关闭状态，所有装置处于停止运行状态。

(1)打开第二空气阀18，启动空气压缩机15，外部空气进入空气进气管路12，在空气压缩机15的作用下经过干燥器16进入空气排放管路14，随后经过第二空气阀18进入第一发电型氢换热器3的热流体空气通道32，随后排空。

(2)打开氢气排空阀2，液氢储罐内壳体23上部气相空间的低温氢气进入氢气排空管路1，随后通过氢气排空阀2进入第一发电型氢换热器3的冷流体氢通道25，释放冷量产生电能后排空。

(3)第一发电型氢换热器3产生的电能通过电源线19输送至液氢增压泵21，液氢增压泵21随之启动，将液氢储罐内壳体23下部液相空间的液氢输送至液氢循环管路20，经过节流阀22节流后形成过冷液氢，随后再次进入液氢储罐内壳体23，缓解液氢储罐内壳体23内部热分层产生的氢汽化损耗。

模式二

液氢储供系统向外部供应液氢，大量液氢汽化，此时第二发电型氢换热器10产生的电能较多，可用于氢气再液化。

首先假设所有阀门处于关闭状态，所有装置处于停止运行状态。

(1)打开第一空气阀17，启动空气压缩机15，外部空气进入空气进气管路12，在空气压缩机15的作用下经过干燥器16进入空气供应管路13，随后进入第二发电型氢换热器10的热流体空气通道32吸收热量，最终进入氢动力系统11产生动力。

(2)打开液氢截止阀8，启动液氢泵9，来自液氢储罐内壳体23的液氢介质依次经过液氢截止阀8、液氢泵9，随后进入第二发电型氢换热器10的冷流体氢通道25，释放冷量产生电能，随后进入氢动力系统11产生动力。

(3)第二发电型氢换热器10产生的电能一部分通过电源线19输送至液氢增压泵21，液氢增压泵21随之启动，将液氢储罐内壳体23下部液相空间的液氢输送至液氢循环管路20，经过节流阀22节流后形成过冷液氢，随后再次进入液氢储罐内壳体23，缓解液氢储罐内壳体23内部热分层产生的氢汽化损耗。

(4)第二发电型氢换热器10产生的电能另一部分通过电源线19输送至低温冷机6，随后打开氢气液化阀5，启动低温冷机6，液氢储罐内壳体23上部气相空间的低温氢气进入氢气再液化管路4，在低温冷机6的作用下液化，随后继续进入液氢储罐内壳体23内进行存储。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低蒸发率的液氢储供系统，包括第一发电型氢换热器(3)、第二发电型氢换热器(10)和液氢储罐，其特征在于，所述液氢储罐上安装有氢气液化单元和液氢增压单元，第一发电型氢换热器(3)的输入端分别连接有空气进气管路(12)和氢管路a，第一发电型氢换热器(3)输出端分别连接有氢气排空管路(1)和空气排放管路(14)，氢管路a与氢气液化单元相连；

第二发电型氢换热器(10)的输入端分别连接有氢管路b(7)和空气供应管路(13)，空气供应管路(13)与空气进气管路(12)相连，氢管路b(7)与液氢储罐相连，第二发电型氢换热器(10)输出端连接有氢动力系统(11)。

2.根据权利要求1所述的一种低蒸发率的液氢储供系统，其特征在于，所述液氢储罐包括液氢储罐内壳体(23)和液氢储罐外壳体(24)，所述液氢增压单元位于液氢储罐内壳体(23)和液氢储罐外壳体(24)之间，液氢储罐内壳体(23)和液氢储罐外壳体(24)之间抽真空。

3.根据权利要求2所述的一种低蒸发率的液氢储供系统，其特征在于，所述氢气液化单元包括与液氢储罐内壳体(23)相连的氢气再液化管路(4)，氢气再液化管路(4)上分别安装有氢气液化阀(5)和低温冷机(6)。

4.根据权利要求3所述的一种低蒸发率的液氢储供系统，其特征在于，所述液氢增压单元包括与液氢储罐内壳体(23)相连的液氢循环管路(20)，液氢循环管路(20)上分别安装有液氢增压泵(21)和节流阀(22)。

5.根据权利要求4所述的一种低蒸发率的液氢储供系统，其特征在于，所述第一发电型氢换热器(3)和第二发电型氢换热器(10)均包括冷流体氢通道(25)和热流体空气通道(32)，冷流体氢通道(25)上设有发电片冷端(27)，热流体空气通道(32)上设有发电片热端(31)，发电片冷端(27)和发电片热端(31)均通过导电片(30)分别连接有P型半导体(28)和N型半导体(29)，冷流体氢通道(25)与发电片冷端(27)、热流体空气通道(32)与发电片热端(31)之间涂敷有高导热材料。

6.根据权利要求5所述的一种低蒸发率的液氢储供系统，其特征在于，所述冷流体氢通道(25)内部装填有仲正氢转化催化剂(26)。

7.根据权利要求6所述的一种低蒸发率的液氢储供系统，其特征在于，所述空气进气管路(12)上分别安装有空气压缩机(15)、干燥器(16)和第二空气阀(18)，干燥器(16)内部填充高吸水性吸附剂。

8.根据权利要求7所述的一种低蒸发率的液氢储供系统，其特征在于，所述氢管路a、空气供应管路(13)、氢管路b(7)上一一对应安装有氢气排空阀(2)、第一空气阀(17)和液氢截止阀(8)，所述第一发电型氢换热器(3)、低温冷机(6)、第二发电型氢换热器(10)和液氢增压泵(21)通过电源线(19)与储能单元相连。

9.根据权利要求8所述的一种低蒸发率的液氢储供系统，其特征在于，所述氢动力系统(11)为氢发动机或氢氧燃料电池。

10.根据权利要求9所述的一种低蒸发率的液氢储供系统，其特征在于，所述第一发电型氢换热器(3)和第二发电型氢换热器(10)内部的冷热流体均采用逆流换热结构。